MARY K. CAMPBE LL E SHAWN O. FARRE LL
Tradução da 8a edição norte-americana
A C IM Í U Q O IB
iii
B I O QUÍMICA Traduçã o da 8
a
edição n orte-a merica na
Mary K. Campbell Mount Holyoke College
Shawn O. Farrell
Tradução e revisão técnica
Robson Mendes Matos DPhil. – University of Brighton - UK Professor Associado III – Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) – Campus Prof. Aloísio Teixeira – Macaé
Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos
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Bioquímica
Sobre os Autores Mary K. Campbell Mary K. Campbell é professora emérita de química no Mount Holyoke College, onde ministrou cursos semestrais de bioquímica e orientou diversos alunos de graduação em projetos de pesquisa na mesma área. Com frequência ensinou química geral e físico-química. Em dado momento, ao completar 36 anos no Mount Holyoke College, já havia ensinado cada subárea da química, exceto química orgânica. Seu grande interesse por escrever levou à publicação das sete primeiras edições altamente bem-sucedidas deste livro-texto. Nascida na Filadélfia, Mary recebeu seu Ph.D. da Indiana University e fez pós-doutorado em química biofísica na Johns Hopkins University. Sua área de interesse inclui pesquisa em físico-química de biomoléculas, especialmente estudos espectroscópicos de interações entre proteínas e ácidos nucleicos. Mary gosta de viajar, e recentemente visitou partes do México próximas à sua residência, em Tucson, Arizona. Ela participa de eventos na University of Arizona e gosta de caminhar no deserto e nas montanhas.
Shawn O.Farrell Farrellcresceu no norte da Califórnia e concluiu o bacharelado em Shawn O. bioquímica pela University of California, Davis, onde estudou o metabolismo dos carboidratos. Recebeu seu Ph.D. em bioquímica na Michigan State University, onde estudou o metabolismo dos ácidos graxos. Por 18 anos, Shawn trabalhou na Colorado State University, ministrando disciplinas teóricas e práticas sobre bioquímica. Graças ao seu interesse nessa área, escreveu diversos artigos em publicações científicas. Ele é coautor (em conjunto com Lynn E. Taylor) de Experiments in Biochemistry: A Hands-On Approach (Experimentos em Bioquímica : Uma Abordagem Prática). Shawn começou a se interessar por bioquímica na faculdade, pois coincidia com sua paixão por ciclismo. Praticante de atividades ao ar livre, Shawn competiu durante 17 anos e, agora, é juiz em competições de ciclismo no mundo todo. Atualmente, é diretor técnico da USA Cycling, agência nacional que regulamenta as corridas de ciclismo nos Estados Unidos. Além disso, é ávido praticante de pesca com mosca (fly-fishing), além de ter recebido recentemente a faixa preta, terceiro dan, em Tae Kwon Do e a faixa preta, primeiro dan, em hapkido de combate. Shawn também escreveu artigos sobre pesca com mosca para a revista Salmon Trout Steelheader. Suas outras paixões são futebol, xadrez e idiomasalemão estrangeiros. É fluente em espanhol e francês e, atualmente, está aprendendo e italiano. No seu quinquagésimo aniversário, teve aulas de esqui downhill e agora se tornou praticamente. Nunca cansado de educação, ele visitou a CSU (California State University) novamente, desta vez do outro lado do pódio, e obteve seu Master of Business Administration (MBA) em 2008.
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Sumário
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Sumário
Revista: Tópicos Modernos em Bioquímica A Genética do Câncer de Mama xxiii Células-Tronco: Ciência e Política xxvi A Ciência da Felicidade e da Depressão xxxi Humanos versus Gripe xxxvi Malária xl Envelhecimento – Procurando a Fonte Bioquímica da Juventude xliv Proteínas e Ímãs: Ressonância Magnética Nuclear na Bioquímica xlviii Proteína G – Receptores Acoplados lii
Bioquímica das e a Células 1 AOrganização
1 1-1 Temas Básicos 1 1-2 Fundamentos Químicos da Bioquímica 3 1-3 O começo da Biologia : Origem da Vida 4 A Terra e Sua Idade 4 Biomoléculas 8 De Moléculas para Células 11 1-4 A Maior Distinção Biológica – Procariotos e os Eucariotos 14 1-5 Células Procarióticas 16 1-6 Células Eucariótica s 17 1-7 Como Classificamo s os Eucariotos e Procariotos 20 1.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Extremófilos: A Estrela da Indústria 22 1-8 Energia Bioquímica 24 1-9 Energia e Variação 25 1-10 Espontaneidade e Reações Bioquímicas 25 1-11 Vida e Termodinâmic a 26
1.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Prevendo as Reações 28 Resumo 28 Exercícios de Revisão
29
2 Água: O Solvente das
Reações Bioquímicas 33 2-1 Água e Polaridade 33 Propriedades Solventes da Água 34 Ligações Iônicas 34 Pontes Salinas 34 Interações Íon-Dipolo 34 Forças de van der Waals 34 Interações Dipolo-Dipolo 35 Interações Dipolo-Dip olo Induzido 35 Interações Dipolo Induzido-Di polo Induzido 36 2-2 Ligações de Hidrogênio 38 2.1 CONEXÕES BIOQUÍMICAS| Como a Química
Básica Afeta a Vida: A Importância da Ligação de Hidrogênio 41 Outras Ligações de Hidrogênio Biologicamente Importantes 41 2-3 Ácidos, Bases e pH 41 2-4 Curvas de Titulação 45 2-5 Tampões 48 2.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Seleção de Tampão 52 2.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Algumas Consequências Fisiológicas doTamponamento do Sangue 54 2.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Ácido Láctico – Nem Sempre o Vilão 55
Resumo 55 Exercícios de Revisão
56 vii
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Bioquímica
3 Aminoácidos e Peptídeos
59
3-1 Os Aminoácidos Existem no Mundo Tridimensional 59 3-2 Aminoácidos Individuais: Suas Estrutura s e Propriedades 60 Aminoácidos Incomuns 65 3-3 Aminoácidos Podem Agir Tanto como Ácidos Quanto como Bases 65 3-4 Ligação Peptídica 69 3-5 Peptídeos Pequenos com Atividade Fisiológica 71 3.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Hormônios Peptídicos – Pequenas Moléculas com Grandes Efeitos 72
Resumo 72 Exercícios de Revisão
73
4 A Estrutura Tridimensional de Proteínas 75 4-1 Estrutura e Função da Proteína 75 4-2 Estrutura Primária das Proteínas 76 4-3 Estrutura Secundária das Proteínas 76 Estruturas Periódicas nos Esqueletos de Proteínas 77 Irregularidades em Estruturas Estruturas Supersecund árias eRegulares Domínios 7879 A Tripla Hélice do Colágeno 81 Dois Tipos de Conformações de Proteínas: Fibrosa e Globular 82 4-4 Estrutura Terciária das Proteínas 83 Forças Envolvidas nasEstruturas Terciárias 83 Mioglobina: Um Exemplo de Estrutura Proteica 86 Desnaturação e Renaturação 88 4-5 Estrutura Quaternári a das Proteínas 89 Hemoglobina 90 Mudanças Conformacionais que Acompanham a Função da Hemoglobina 91 4.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Anemia Falciforme 94
4-6 Dinâmica do Dobramento Proteico 95 Interações Hidrofóbicas: Estudo de Caso em Termodinâmica 96 A Importân cia do Dobramento Correto 98 Chaperonas de Dobramento Proteico 98 4.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Doenças Causadas por Dobramento Proteico 99 Resumo 101
Exercícios de Revisão
102
5 Técnicas de Purificação e Caracterização de Proteínas 5-1 5-2 5-3 5-4
105 Extração de Proteínas Puras de Células 105 Cromatograf ia em Coluna 108 Eletroforese 114 Determinand o a Estrutura Primária de uma Proteína 115
Clivagem da Proteína em Peptídeos 117de Sequenciamento de Peptídeos: Método Edman 117 5-5 Técnicas de Identif icação de Proteínas 122 5.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | O Poder da Espectrometria de Massas 122 Ensaio Imunossorvente ligado a Enzima (Elisa) 123 Western blot 123 Chips de Proteínas 126 5-6 Proteômica 126
Resumo 127 Exercícios de Revisão
128
6 O Comportamento das Proteínas: Enzimas 131 6-1 As Enzimas São Catalisadore s Biológicos Eficientes 131 6-2 Cinética versus Termodinâmic a 131 6.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Enzimas como Indicadoras de Doenças 134 6-3 Equações Cinéticas de Enzimas 135 6-4 Ligação Enzima-Substrato 136 6-5 A Abordagem de Michaelis-Ment en para a Cinética Enzimática 138 6.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Enzima Permite que Você Saboreie Champanhe 145 6.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Informação Prática a Partir de Dados Cinéticos 145 6-6 Exemplos de Reações Catalisadas por Enzimas 146 6-7 Inibição Enzimática 147 6.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Inibição Enzimática no Tratamento da Aids 153 Resumo 153 Exercícios de Revisão
154
Sumário
7 O Comportamento das Proteínas: Enzimas, Mecanismos e Controle 157 7-1 O Comport amento de Enzimas Alostéricas 157 7-2 Os Modelos Concertado e Sequencial para Enzimas Alostéricas 161 7.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Alosterismo: A Indústria de Medicamentos Explora o Conceito 165
7-3 Controle da Atividade Enzimática pela Fosforilação 166 7.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Um Medicamento Antigo que Funciona Estimulando a Quinase Proteica 168
7-4 Zimogênios 169 7-5 A Natureza do Sítio Ativo 170 7.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Famílias de Enzimas: Proteases 172 7-6 Reações Químicas Envolvidas nos Mecanismos Enzimáticos 176 7-7 O Sítio Ativo e os Estados de Transição 179 7.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Anticorpos Catalíticos Contra a Cocaína 180 7-8 Coenzimas 181 7.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Catalisadores para a Química Verde 183 Resumo 184 Exercícios de Revisão
184
8 Lipídeos e Proteínas Estão Associados nas Membranas Biológicas 187 8-1 A Definição de um Lipídeo 187 8-2 Naturezas Químicas dos Tipos de Lipídeos 188 8-3 Membranas Biológicas 193 8.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Manteiga versus Margarina – Qual É Mais Saudável? 198 8.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | As Membranas na Administração de Medicamentos 199 8-4 Tipos de Proteínas de Membranas 200 8-5 O Modelo do Mosaic o Fluido para a Estrutura da Membrana 202 8-6 As Funções das Membranas 203 8.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Gotas de Lipídeos Não São Apenas Grandes Bolas de Gorduras 207
ix
8-7 As Vitaminas Lipossolúveis e Suas Funções 208 8.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Visão tem Muita Química 209 Vitamina D 210 Vitamina E 213 Vitamina K 213 8-8 Prostaglandin as e Leucotrieno s 215 8.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por Que Devemos Comer mais Salmão? 216 Resumo 217 Exercícios de Revisão
218
9 Ácidos Nucleicos: Como a Estrutura Transfere Informações 221 9-1 Níveis de Estrutura nos Ácidos Nucleicos 221 9-2 A Estrutura Covalente dos Polinucleotídeos 222 9.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Quem Tem a Propriedade dos Seus Genes? 226 9-3 A Estrutura do DNA 227 9.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | O Projeto Genoma Humano: O Tesouro da Caixa de Pandora? 233 9-4 Desnaturaçã o do DNA 235 9-5 Os Principais Tipos de RNA e Suas 236BIOQUÍMI Estruturas 9.3 CONEXÕES CA S | Por Que Gêmeos Idênticos Não São Idênticos? 242 9.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | O Genoma Sintético Criado 243
Resumo 243 Exercícios de Revisão
244
10 A Biossíntese de Ácidos Nucleicos: Replicação 247 10-1 O Fluxo de Informação Genética na Célula 247 10-2 A Replicação do DNA 248 Replicação Semiconserv ativa 249 10-3 DNA Polimerase 251 Replicação Semidescontínua do DNA 251 DNA Polimerase da E. coli 253 10-4 As Proteínas Necessárias para a Replicação do DNA 255 Superenrolamento e Replicação 255 A Reação da Primase 257 Síntese e Ligação de Novas Fitas de DNA 257
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Bioquímica
10-5 Revisão e Reparo 259 10.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por Que o DNA Contém Timina e Não Uracila? 264 10-6 Recombinação de DNA 265 10.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Resposta de SOS na E. coli 267 10-7 A Replicação do DNA Eucariótico 268 Polimerases de DNA Eucariótico 269 Forquilha de Replicação Eucariótica 270 10.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Telomerase e Câncer 272 10.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | RNAs Autorreplicantes 273 Resumo 274 Exercícios de Revisão
275
11 A Transcrição do Código Genético: Biossíntese do RNA 277 11-1 Visão Geral da Transcriçã o 277 11-2 Transcriç ão nos Procariot os 278 RNA Polimerase na Escherichia coli 278 A Estrutura do Promotor 279 A Iniciação da Cadeia 281 Alongamento da Cadeia 282 Terminação da Cadeia 283 11-3 A Regulação da Transcrição nos Procariotos 285 Fatores s Alternativos 285 Reforçadores 285 Óperons 286 Atenuação da Transcrição 291 11.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Os Ribointerruptores Fornecem Outra Arma Contra os Patógenos 292
11-4 Transcriç ão nos Eucariotos 293 A Estrutura de RNA Polimerase II 294 Promotores da Pol II 295 Iniciação da Transcrição 296 Alongamento e Terminação 298 11-5 Regulação da Transcrição nos Eucariotos 299 O Papel da Mediadora na Ativação e Repressão da Transcrição 299 Complexos de Remodelagem da Cromatina 300 Modificaçã o Covalente das Histonas 301 Elementos de Resposta 302
11.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | CREB – A Proteína Mais Importante da qual Você Nunca Ouviu Falar? 305
11-6 RNAs Não Codificantes 305 11.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Um Micro RNA Ajuda a Regenerar as Sinapses Nervosas Após um Ferimento 308
11-7 Motivos Estruturais nas Proteínas Ligadas ao DNA 308 Domínios de Ligação ao DNA 308 Motivos Hélice–Volta–Hélice 308 Dedos de Zinco 309 Motivo “Zíper de Leucina” na Região Básica 310 Domínios de Ativação da Transcrição 311 11-8 Modif icação do RNA Após a Transcriçã o 311 RNA Transporta dor e RNA Riboss ômico 312 RNA Mensageiro 313 Reação de Splicing : Estruturas em Laço e Snurps 314 Splicing Alternativo de RNA 316 11-9 Ribozimas 316 11.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Epigenética Revisitada – Como o Câncer e o Envelhecimento Estão Relacionados aos Estados Epigenéticos 318
Resumo 318 Exercícios de Revisão
320
12 Síntese Proteica: Tradução da Mensagem Genética 323 12-1 Tradução da Mensagem Genética 323 12-2 O Código Genético 324 Pareamentoe OscilaçãoCódon–Anticódon 326 12.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| O Vírus da Influenza A Altera a Estrutura de Leitura para Diminuir seu Estado Mórbido 329
12-3 Ativação de Aminoácido 330 12-4 Tradução Procariót ica 332 Arquitetura dos Riboss omos 332 Iniciação da Cadeia 332 Alongamento da Cadeia 334 Terminação da Cadeia 338 O 21 o Aminoácido 338 O Ribossom o É Uma Ribozima 338 Polissomos 341 12-5 Tradução Eucariótica 342 Iniciação da Cadeia 343
Sumário
12.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Síntese Proteica Faz Memórias 345 Alongamento da Cadeia 345 Terminação da Cadeia 346 Transcrição e Tradução Acopladas nos Eucarióticos? 346 Mais Dogmas São Colocados de Lado 346 12-6 Modif icações Proteicas Após a Tradução 346 Os Ribossomos Estão Envolvidos do Dobramento Proteico 347 12.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | As Mutações Silenciosas Nem Sempre São Silenciosas 348 12.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Chaperonas: Prevenindo Associações Inadequadas 350 12-7 Degradação Proteica 351 12.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Como Nos Adaptamos à Alta Altitude? 352 Resumo 354 Exercícios de Revisão
354
13 Técnicas de Biotecnologia com Ácidos Nucleicos 357 13-1 Purificação e Detecção de Ácidos Nucleicos357 Técnicas de Separação 357 Métodos de Detecção 358 13-2 Endonucleases de Restrição 360 Muitas Endonucleases de Restrição Produzem Extremidades Adesivas 360 13-3 Clonagem 363 Utilizando as Extremidades Adesivas para Construir o DNA Recombinante 363 13-4 Engenharia genética 367 A Recombinação do DNA Ocorre na Natureza 368 13.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Engenharia Genética na Agricultura 369 Vetores de Expressão Proteica 370 Engenharia Genética em Eucariotos 371 13.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Proteínas Humanas através das Técnicas de Recombinação Genética 372 13-5 Bibliotecas de DNA 373 13.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Proteínas de Fusão e Purificações Rápidas 374 Encontrando um Clone Individual em uma Biblioteca de DNA 375
xi
13-6 A Reação em Cadeia da Polimerase 376 A PCR Quantitativa Permite a Medida Sensível de Amostras de DNA 378 13-7 Fingerprinting de DNA 378 Polimorfismos no Comprimento dos Fragmentos de Restrição: Um Método Poderoso para Análises Forenses 381 13.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| CSI: Bioquímica Forense Usa Testes de DNA 382 13-8 Sequenciamento de DNA 382 13-9 Genômica e Proteômica 384 O Poder das Microrredes – A Tecnologia Robótica Une-se à Bioquímica 386 Redes de Proteína 389 Resumo 389 Exercícios de Revisão
390
14 Vírus, Câncer e Imunologia
393
14-1 Vírus 393 Famílias de Vírus 394 Ciclos de Vida dos Vírus 394 14-2 Retrovírus 397 14.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Vírus São Usados para Terapia Genética 398 14-3 O Sistema Imunológico 399 BIOQUÍMI Primei 14.2 –CONEXÕES CA S | ABoa A Ciência Ruim Tornando-se 400ra Vacina Imunidade Inata – As Linhas de Frente da Defesa 401 Imunidade Adquirida: Aspectos Celulares 403 Funções das Células T 404 Memória das Células T 408 O Sistema Imunológico: Aspectos Moleculares 408 Distinção Self de Nonself 410 14.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Os RNAs Virais Levando a Melhor Sobre o Sistema Imunológico 412
14-4 Câncer 413 14.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Câncer: O Lado Obscuro do Genoma Humano 413 Oncogenes 414Tumor 416 Supressores de Vírus e Câncer 417 Vírus Ajudando a Curar o Câncer 418 14.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Nanotecnologia Ataca o Câncer 420 14.6 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Atacando os Sintomas ao Invés da Doença 421
xii
Bioquímica
14-5 AIDS 422 A Busca por Uma Vacina 424 Terapia Antiviral 424 Esperança pa ra a Cura 426 Resumo 426 Exercícios de Revisão
427
15 A Importância das Variações de Energia e do Transporte de Elétrons no Metabolismo 429 15-1 Estados -Padrão para Variações de Energia Livre 429 Espontaneidade e Reversibilidade 430 Impulsionando Reações Endergônicas 431 Balanço de Energia 431 15-2 Um Estado-Padrão Modificado para as Aplicações Bioquímicas 432 15-3 A Natureza do Metabolismo 433 15.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Seres Vivos São Sistemas Bioquímicos Únicos 433 15-4 O Papel da Oxidação e da Redução no Metabolismo 434 15-5 Coenzimas Import antes nas Reações de Oxirredução 435 15-6 Acoplamento de Produção e Uso de Energia 439 15.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | ATP na Sinalização da Célula 442 15-7 Coenzima A na Ativação de Rotas Metabólicas 444 Resumo 447 Exercícios de Revisão
448
16 Carboidratos
451 16-1 Açúcares: Suas Estruturas e Estequiometria451 16.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Dietas Baixas em Carboidratos 456 16-2 Reações de Monossacarídeos 459 16.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| A Vitamina C Está Relacionada aos Açúcares 460 16-3 Alguns Oligossacarídeos Importantes 465 16.3 CONEXÕES BIOQUÍMICAS| A Intolerância da Lactose: Por Que Tantas Pessoas Não Querem Tomar Leite? 467
16-4 Estruturas e Funções dos Polissacarídeos 468 16.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por Que uma Dieta com Fibras é Tão Boa Para Você? 469 16-5 Glicoproteínas 474
16.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Glicoproteínas e as Transfusões de Sangue 475 Resumo 476 Exercícios de Revisão 477
17 Glicólise
481 17-1 A Via Total da Glicólise 481 17.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Biocombustíveis a Partir da Fermentação 483 17-2 Conversão da Glicose de 6 Carbonos no Gliceraldeído-3-Fos fato de 3 Carbonos 485 17.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Os Golfinhos como Modelo para os Humanos com Diabetes 489 17-3 O Gliceraldeído é Convertido em Piruvato 492 17-4 O Metabolismo Anaeróbico do Piruvato 499 17.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Qual é a Conexão entre o Metabolismo Anaeróbico e a Placa Dentária? 500 17.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Síndrome
Alcoólica Fetal 503 17.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Usando as Isoenzimas Piruvato Quinase para Tratar o Câncer 504
17-5 Produção de Energia na Glicólise 505 17-6 O Controle da Glicólise 506 Resumo 508 Exercícios de Revisão 509
18 Mecanismos de Armazenamento e Controle no Metabolismo de Carboidratos 511 18-1 Como o Glicogênio é Produzido e Degradado 511 18.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Por que os Atletas se Abastecem de Glicogênio? 514 18-2 A Gliconeogênese Produz Glicose de Piruvato 519 18-3 O Controle do Metabolismo de Carboidrato 523 18-4 A Glicose Algumas Vezes É Desviada através da Via da Pentose Fosfato 531 18.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Via da Pentose Fosfato e a Anemia Hemolítica 535 Resumo 536 Exercícios de Revisão
537
19 O Ciclo do Ácido Cítrico
539 19-1 O Papel Central do Ciclo do Ácido Cítrico no Metabolismo 539
Sumário
19-2 A Via Total do Ciclo do Ácido Cítrico 540 19-3 Como o Piruvato é Convertido em Acetil-CoA 543 19-4 As Reações Individuais do Ciclo do Ácido Cítrico 545 19.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CAS| Os Compostos de Flúor e o Metabolismo de Carboidrato 547 19.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Qual é a Origem do CO2 Liberado pelo Ciclo do Ácido Cítrico? 549
19-5 A Energética e o Controle do Ciclo do Ácido Cítrico 554 19-6 O Ciclo do Glioxalato: Uma Via Relacionada 557 19-7 O Ciclo do Ácido Cítrico no Catabolismo 558 19-8 O Ciclo do Ácido Cítrico no Anabolismo 559 19.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por que os Animais Não Podem Usar Todas as Mesmas Fontes de Energia que os Vegetais e as Bactérias? 560 19.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por que é Tão Difícil Perder Peso? 563
19-9 A Ligação com o Oxigênio 566 Resumo 566 Exercícios de Revisão
567
20 Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa 569 20-1 O Papel do Transporte de Elétrons no Metabolismo 569 20-2 Potenciais de Redução na Cadeia de Transporte de Elétrons 570 20-3 A Organização de Complexos de Transporte de Elétron 573 20-4 A Conexão entre o Transporte de Elétron e a Fosforilação 580 20-5 O Mecanismo de Acoplamento na Fosforilação Oxidativa 582 20.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | O Que o Tecido Adiposo Marrom Tem a Ver com a Obesidade? 585
20-6 Mecanismos de Circuito 586 20.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Esportes e Metabolismo 588 20-7 O Rendimento de ATP a partir da Oxidação Completa de Glicose 588 Resumo 589 Exercícios de Revisão
590
xiii
21 Metabolismo de Lipídeos
593 21-1 Os Lipídeos Estão Envolvidos na Geração e no Armazenamento de Energia 593 21-2 Catabolismo de Lipídeos 593 21-3 O Rendimento de Energia da Oxidação dos Ácidos Graxos 599 21-4 Catabolismo de Ácidos Graxos Insaturados e Ácidos Graxos com Número Ímpar de Carbonos 601 21-5 Corpos Cetônicos 602 21-6 Biossínteses de Ácidos Graxos 604 21.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Ativadores de Transcrição na Biossíntese de Lipídeos 605 21.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Acetil-CoA Carboxilase – Um Novo Alvo na Luta Contra a Obesidade? 606 21.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Um Gene para a Obesidade 612
21-7 Síntese de Acilgliceróis e Lipídeos Compostos 613 Triacilgliceróis 613 21-8 Biossíntese de Colesterol 615 21.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Aterosclerose 624 21-9 Controle Hormonal do Apetite 627 Resumo 628 Exercícios de Revisão
629
22 Fotossíntese
631 22-1 Os Cloroplastos São o Local da Fotossíntese 631 22.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Relação entre o Comprimento de Onda e a Energia da Luz 635
22-2 Os Fotossistemas I e II e as Reações de Luz da Fotossíntese 635 Transporte Cíclico de Elétrons no Fotossistema I 639 22-3 A Fotossíntese e a Produção de ATP 641 22-4 As Implicações Evolucionárias da Fotossíntese Com e Sem Oxigênio 642 22.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Melhorando o Rendimento de Plantas Antimalária 644 22-5 As Reações no Escuro da Fotossíntese Fixam CO2 645 22.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Os Vegetais Alimentam os Animais – Os Vegetais Precisam de Energia – Os Vegetais Podem Produzir Energia 645
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Bioquímica
22.4 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Genes do Cloroplasto 651 22-6 A Fixação de CO 2 nos Vegetais Tropicais 652 Resumo 654 Exercícios de Revisão
655
23 Metabolismo do Nitrogênio 657 23-1 Metabolismo de Nitrogênio: Uma Visão Geral 657 23-2 Fixação de Nitrogênio 659 23.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Por Que o Teor de Nitrogênio nos Fertilizantes é Tão Importante? 660
23-3 A Inibição por Retroalimentação no Metabolismo de Nitrogêni o 661 23-4 Biossíntese de Aminoácidos 662 23-5 Aminoácidos Essenciais 669 23-6 Catabolismo de Aminoácidos 670 Excreção do Excesso de Nitrogênio 671 23.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | A Água e as Excreções de Nitrogênio 672 23-7 Biossíntese de Purina 676 O Anabolismo da Inosina Monofosfato 676 23-8 Catabolismo da Purina 678 23-9 Biossíntese e Catabolismo de Pirimidina 680 O Anabolismo dos Nucleotídeos Pirimidínicos 680 O Catabolismo da Pirimidina 681 23-10 Conversão de Ribonucleo tídeos em Desoxirribonucleotídeos 682 23-11 Conversão de dUDP em dTTP 685 23.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Quimioterapia e Antibióticos – Tirando Vantagem da Necessidade de Ácido Fólico 686
Resumo 686 Exercícios de Revisão
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24 Integração do Metabolismo: Sinalização Celular 689 24-1 Conexões Entre as Vias Metabólicas 689 24.1 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Consumo de Álcool e o Vício 691 24-2 Bioquímica e Nutrição 691 24.2 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Ferro: Exemplo de Uma Exigência de Mineral 694 A Pirâmide Alimentar 695 24-3 Hormônios e o Segundo Mensageiro 698 Hormônios 698 Segundo Mensageiro 702 AMP Cíclico e Proteínas G 702 Íon Cálcio como Segundo Mensageiro 703 Tirosinas Quinases Receptoras 704 24-4 Hormônios e o Controle do Metabolismo 706 24.3 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Insulina e Dieta Baixa em Carboidrato 709 24-5 Insulina e seus Efeitos 709 Receptores de Insulina 709 Efeito da Insulina na Absorção de Glicose 710 A Insulina Afeta Diversas Enzimas 711 Diabetes 712 24.4 CONEXÕES BIOQUÍMICAS| Um Dia de Exercício Físico Mantém a Diabetes Longe? 713 Insulina e o Esporte 713 24.5 CONEXÕES BIOQUÍMI CA S | Insulina, Diabetes e Câncer 714 Resumo 715 Exercícios de Revisão
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Bibliografia Comentada 718 Respostas dos Exercícios de Revisão 730 Índice Remissivo
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Prefácio
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Prefácio
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ste livro destina-se a estudantes de qualquer área da ciência ou da engenharia que desejam uma introdução equivalente a um semestre em bioquímica, mas que não têm a intenção de se tornar especialistas no assunto. Nosso principal objetivo ao escrever este livro foi fazer que a bioquímica fosse a mais clara e aplicada possível, além de familiarizar os estudantes de ciências com os principais aspectos da bioquímica. Para estudantes de Biologia, Química, Física, Geologia, Nutrição, Fisiologia dos Esportes e Agricultura, a bioquímica tem grande impacto no conteúdo de suas áreas, especialmente nas de medicina e de biotecnologia. Para engenheiros, estudar bioquímica é especialmente importante para quem deseja ingressar em uma carreira como a engenharia biomédica ou alguma forma de biotecnologia. Os estudantes que utilizarão este livro devem estar em um nível intermediário de seus estudos. Uma disciplina de iniciação em biologia, química geral e pelo menos um semestre de química orgânica são considerados necessários para a melhor compreensão.
DESTA EDIÇÃO NOVIDADES Todos os livros didáticos evoluem para atender a interesses e necessidades de estudantes e professores, bem como para incluir informações mais atuais. Diversas mudanças marcam esta edição. Tópicos Modernos de Bioquímica Esta revisão insere artigos característicos atualizados em novos avanços e tópicos na área de bioquímica, como células-tronco, malária, gene de câncer de seio (BRCA), envelhecimento, felicidade, e mais! Nova e Inovadora Apresentação de Conexões Bioquímicas. Além de Muitos Tópicos Novos! Em resposta ao pedido dos leitores por mais Quadros de Conexões Bioquímicas, adicionamos várias novas seções ao livro. Veja a lista completa dos Quadros de Conexões Bioquímicas no Índice. As Conexões Bioquímicas cobrem uma variedade de conceitos importantes e novas pesquisas. Elas agora estão fluindo com a narrativa e são colocadas exatamente onde precisam ser lidas em cadacapítulo. E embora tenhamuma apresentação diferente do resto da narrativa, a intenção é que sejam lidas dentro da narrativa, e não devem ser ignorados. Elas são como o crescendo na música clássica – a mudança no ritmo da narrativa normal para a apresentação visual e de voz única das Conexões Bioquímicas evitam que o nível de interesse do estudante caia –, assim, os estudantes estão sempre engajados. Novo Glossário nas Margens! Não há mais necessidade de folhear o livro até o final o final e ler as definições completas de termos chave. Eles agora são definidos nas margens. Cobertura Atualizad a Cada capítulo do livro foi atualizado com os desenvolvimentos e descobertas científicas atuais na área de bioquímica. xv
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Bioquímica
Tabela de Mudanças por Capítulo Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo 3 Capítulo 4 Capítulo 5
Capítulo 6
Capítulo 7 Capítulo 8
Capítulo 9 Capítulo 10
Capítulo 11
Capítulo 12
Material revisado em esquemas de classificação baseados nos reinos e domínios; um novo exercício de revisão Expansão da seção sobre tipos de interações intermoleculares; oito novos exercícios de revisão Revisão do material sobre hormônios peptídicos; oito novos exercícios de revisão Retirado o quadro Conexões Bioquímicas sobre nutrição, e adicionado outro sobreanemia falciforme; seis novos exercícios derevisão Adicionadas novas seções sobre técnicas de identificação e proteômica, usando material de da proteína quadro Conexões Bioquímicas da edição anterior; oito novos exercícios de revisão Invertida a ordem das Seções 6-5 e 6-6; seção expandida sobre inibição, para incluir a inibição não competitiva e mista; eliminado o quadro Conexões Bioquímicas sobre enzima e memória; seção sobre derivada de Michaelis-Menten simplificada; adicionada seção sobre cinética com substratos múltiplos; adicionados dez novos exercícios de fim de capítulo. Novo quadro Conexões Bioquímicas sobre efeitos medicinais de um composto do salgueiro; quatro novos exercícios de revisão Novo material sobre composição lipídica de membranas intercelulares; adicionado material sobre as membranas na administração de medicamentos; discussão das quinases de tirosina como receptores de membrana relacionados ao artigo Tópicos Modernos sobre receptores acoplados de proteína G; quatro novos exercícios de revisão Apagado o quadro Conexões Bioquímicas sobre árvore familiar de DNA Material expansivo em replissomo, material expandido em quebras da fita dupla no reparo de DNA; oito novos exercícios de final de capítulo Material expandido em operons, material adicionado no papel do mediador na transcrição eucariótica, material adicionado em remodelagem de cromatina e enzimas modificadoras de histona; eliminada a seção Conexões Bioquímicas em TFIIH; material expandido em micro RNA, e interferência de RNA; nova seção Conexões Bioquímicas em epigenética; eliminada a seção Conexões Bioquímicas em prova transcricional, dezenove novos exercícios de final de capítulo Adicionada nova seção Conexões Bioquímicas em virologia e como a gripe pode alterar ao estrutura deselenocisteína leitura de tradução; material de de umaremovido seção Conexões Bioquímicas e colocada no capí-
Capítulo 13 Capítulo 14
Capítulo 15 Capítulo 16
Capítulo 17
Capítulo 18
Capítulo 19
Capítulo 20
Capítulo 21 Capítulo 22
Capítulo 23 Capítulo 24
tulo principal, adicionado novo material em codon iniciante no sistema imunológico, adicionado material sobre como o ribossomo está envolvido no dobramento de proteína, oito novos exercícios de final de capítulo Seção modificada sobre tomates Flavr-Savr, eliminada a seção Conexões Bioquímicas em RNA de interferência Adicionada uma nova seção sobre AIDS; eliminadas duas seções Conexões Bioquímicas sobre gripe, ambas as quaisforam movidas para os artigos de Tópicos Modernos; adicionada vacinas, uma nova nove seção novos Conexões exercícios Bioquímicas de final desobre capítulo Tratamento revisado de acoplamento de reações em bioenergética, seis novos exercícios de final de capítulo Discussão de fibras solúveis versus insolúveis, tratamento expandido de oligossacarídeos nos determinantes de tipos de sangue, quatro novos exercícios de final de capítulo Discussão do efeito de Warburg e metabolismo de carboidrato na células cancerosas, abordagem estendida em controle hormonal no metabolismo de carboidrato, quatro novos exercícios de final de capítulo Adicionada uma abordagem de regulação recíproca e controle hormonal de metabolismo de carboidratos, seis novos exercícios de final de capítulo Novo quadro no uso de marcação para determinar a srcem do CO2 liberado pelo ciclo do ácido cítrico, adicionado material sobre fosforilação no nível do substrato, dois novos exercícios de final de capítulo Condensação do material de interesse histórico para o foco mais marcante da cadeia transportadora de elétron, três novos exercícios de final de capítulo Novo material sobre controle hormonal de apetite, cinco novos exercícios de final de capítulo Quadro atualizado sobre vegetais antimalária para relacionar com o artigo sobre malária nos Tópicos Modernos, quadro atualizado em genes de cloroplastos para incluir os mecanismos epigênicos de controle Novo material sobre possíveis papéis da S-adenosilmetioanina na reação de nitrogenase e na metilação de histona Material expandido sobre obesidade; adicionada seção de Conexões Bioquímicas sobre obesidade, diabetes e câncer; eliminada seção Conexões Bioquímicas em envelhecimento (movida para Tópicos Modernos), seis novos exercícios de final de capítulo
Prefácio
Novo Design e Rotulação Melhorada na Arte A rotulação atualizada nas ilustrações por todo o livro aumenta a legibilidade, que, por sua vez, melhora a habilidade do estudante de compreender os conceitos chave. Como um corolário para o programa da arte atualizado do livro, o design e as paletas de cores também foram modernizadas.
Recursos Comprovados Impacto visual Ideal para aprendizes visuais, a abordagem do estado da arte deste livro ajuda os estudantes a visualizar os processos chave e entender tópicos importantes. Conexões Bioquímicas Os quadros Conexões Bioquímicas destacam tópi-
cos especiais interesse particular para câncer, estudantes. tópicos frequentemente têm de implicações clínicas, como AidsOs e nutrição. Esses ensaios auxiliam os estudantes a fazer a conexão entre a bioquímica e o mundo real. Aplique Seu Conhecimento Os quadros Aplique Seu Conhecimento são intercalados dentro dos capítulos e projetados para fornecer aos estudantes experiência na resolução de problemas. Os tópicos escolhidos são áreas de estudo nas quais os estudantes normalmente têm mais dificuldade. São incluídas Soluções e estratégias de resolução de problemas, fornecendo exemplos da abordagem de resolução de problema para material específico. Inclusão Antecipada da Termodinâmica O material selecionado sobre termodinâmica aparece bem cedo no livro. O Capítulo 1 inclui seções sobre Energia e Variação, Espontaneidade nas Reações Bioquímicas e a Vida e a Termodinâmica . Além disso, o Capítulo 4 contém uma seção ampliada sobre Dinâmica do Dobramento Proteico . Consideramos essencial que os estudantes entendam a força motriz dos processos biológicos e que boa parte da biologia (dobramento proteico, interações proteína-proteína, ligação de moléculas pequenas etc.) é orientada pela desorganização favorável das moléculas de água. Resumos e Perguntas Cada capítulo termina com um resumo conciso, uma ampla seleção de perguntas e uma bibliografia comentada. Como já declarado, os resumos foram totalmente revisados para refletir a estrutura dos Exercícios de Revisão. O número de perguntas aumentou nesta edição para oferecer mais autotestes de domínio do conteúdo e mais material para lição de casa. Esses exercícios encaixam-se em quatro categorias: Verificação de Fatos, Pergunta de Raciocínio , Conexões Bioquímicas e Matemática . As perguntas de Verificação de Fatos são desenvolvidas para que os estudantes avaliem rapidamente seu domínio do material, enquanto as Perguntas de Raciocínio são feitas para que trabalhem questões mais instigantes. As perguntas das Conexões Bioquímicas testam os estudantes sobre os ensaios de Conexões Bioquímicas naquele capítulo. As perguntas Matemáticas são de natureza quantitativa e com foco em cálculos.
Organização Uma vez que a bioquímica é uma ciência multidisciplinar, a primeira tarefa ao apresentá-la a estudantes das mais diversas formações é colocá-la em um contexto. Os Capítulos 1 e 2 fornecem o histórico necessário e conectam a bioquímica a outras ciências. Os Capítulos 3 a 8 concentram-se na estrutura e na dinâmica de importantes componentes celulares. A biologia molecular é abordada nos Capítulos 9 a 14. Alguns tópicos são discutidos diversas vezes, como o controle do metabolismo de carboidratos. As discussões seguintes utilizam e incorporam as infor-
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Bioquímica
mações que os estudantes já aprenderam. É especialmente útil o estudante regressar a um tópico depois de tê-lo assimilá-lo e refletir sobre ele. Os dois primeiros capítulos do livro relacionam a bioquímica a outras áreas da ciência. O Capítulo 1 aborda algumas das relações menos óbvias, como as conexões entre bioquímica e física, astronomia e geologia, sobretudo no contexto da srcem da vida. Os grupos funcionais em moléculas orgânicas são discutidos em função de seu papel na bioquímica. Esse capítulo prossegue para o vínculo mais imediatamente aparente entre bioquímica e biologia, em especial com relação à distinção entre procariotos e eucariotos, assim como a função das organelas em células eucarióticas. O Capítulo 2 aproveita material familiar da química geral, como tampões e propriedades solventes da água, mas enfatiza a perspectiva bioquímica com relação a tal material. Os Capítulos 3 a 8, sobre a estrutura de componentes celulares, concentram-se na estrutura e na dinâmica de proteínas e membranas, de fornecer uma introdução a alguns aspectos da biologia molecular.além Os Capítulos 3, 4, 6 e 7 abordam aminoácidos, peptídeos e a estrutura e ação de proteínas, incluindo catálise de enzimas. O Capítulo 4 inclui mais material sobre termodinâmica, como as interações hidrofóbicas. O Capítulo 5 foca nas técnicas para isolar e estudar as proteínas. A discussão sobre enzimas é dividida em dois capítulos (6 e 7) para dar aos estudantes mais tempo para entender totalmente a cinética e os mecanismos das enzimas. O Capítulo 8 trata da estrutura de membranas e seus componentes lipídicos. Os Capítulos 9 a 14 exploram os tópicos de biologia molecular. O Capítulo 9 introduz a estrutura dos ácidos nucleicos. No Capítulo 10, é discutida a replicação do DNA. Já o Capítulo 11 concentra-se na transcrição e regulação de genes. Esse material sobre a biossíntese de ácidos nucleicos é dividido em dois capítulos para dar aos estudantes tempo suficiente para avaliar o funcionamento de tais processos. O Capítulo 12 encerra o tópico com a tradução da mensagem genética e a síntese proteica. O Capítulo 13 foca nas técnicas de biotecnologia, e o 14 trata de vírus, câncer e imunologia. Os Capítulos 15 a 24, exploram o metabolismo intermediário. O Capítulo 15 abreOs o tópico comde ostermodinâmica princípios químicos que fornecem alguns temas unificantes. conceitos aprendidos anteriormente na química geral e no Capítulo 1 são aplicados especificamente a tópicos de bioquímica, como reações acopladas. Além disso, ele faz explicitamente a conexão entre metabolismo e reações de transferência de elétrons (oxirredução). As coenzimas são introduzidas neste capítulo e discutidas em capítulos posteriores no contexto das reações nas quais têm uma função. O Capítulo 16 discute os carboidratos. O Capítulo 17 inicia o panorama das vias metabólicas ao discutir a glicólise. A discussão do metabolismo do glicogênio, da gliconeogênese e da via da pentose fosfato no Capítulo 18 oferece as bases para o tratamento de mecanismos de controle no metabolismo de carboidratos. A discussão sobre o ciclo do ácido cítrico é seguida pela cadeia transportadora de elétrons e pela fosforilação oxidativa nos Capítulos 19 e 20. Os aspectos catabólicos e anabólicos do metabolismo de lipídeos são tratados no Capítulo 21. No Capítulo 22, a fotossíntese aborda a discussão sobre o metabolismo de carboidratos. Este capítulo aprofunda a srcem das plantas antimalárias e tem conexão com o Tópico Moderno sobre malária. O Capítulo 23 completa o exame sobre as vias ao discutir o metabolismo de compostos que contêm nitrogênio, aminoácidos, porfirinas e nucleobases. O Capítulo 24 é um resumo que como dá uma visão integrada do metabolismo, incluindo um tratamento de hormônios e segundos mensageiros. A visão geral do metabolismo inclui uma breve discussão sobre nutrição e outra, um pouco mais longa, sobre o sistema imunológico. Este livro oferece um panorama sobre tópicos importantes de interesse para bioquímicos e mostra como o notável progresso recente da bioquímica tem impacto em outras ciências. Aextensão tem a finalidade de dar aos pro-
Prefácio
fessores uma seleção dos tópicos favoritos sem ser excessivo para o tempo limitado disponível em um semestre.
Opções Alternativas de Ensino A ordem na qual os capítulos individuais são cobertos pode ser alterada para atender às necessidades de grupos específicos de estudantes. Embora seja preferível uma discussão inicial sobre termodinâmica, as partes dos Capítulos 1 e 4 que lidam com termodinâmica podem ser cobertas no início do Capítulo 15, “A Importância das Variações de Energia e do Transporte de Elétrons no Metabolismo”. Todos os capítulos sobre biologia molecular (9 a 14) podem preceder ou seguir o metabolismo, dependendo da escolha do professor. A ordem na qual o material sobre biologia molecular é ensinado pode variar de acordo com a preferência do professor.
Agradecimentos A ajuda de várias pessoas tornou este livro possível. O financiamento da Dreyfus Foundation possibilitou a disciplina introdutória experimental, que foi a gênese de diversas ideias para este livro. Edwin Weaver e Francis DeToma, do Mount Holyoke College, dedicaram muito do seu tempo e energia para iniciar esta disciplina. Diversas outras pessoas no Mount Holyoke foram generosas em seu apoio, estímulo e boas ideias, especialmente Anna Harrison, Lilian Hsu, Dianne Baranowski, Sheila Browne, Janice Smith, Jeffrey Knight, Sue Ellen Frederick Gruber, Peter Gruber, Marilyn Pryor, Craig Woodard, Diana Stein e Sue Rusiecki. Agradecimentos especiais a Sandy Ward, bibliotecária de ciências, e a Rosalia Tungaraza, especialista em bioquímica da turma de 2004. Três estudantes, Nam Ho, Bem Long e Alejandra Pesquisera, de Engenharia Química 443 (Projeto Sênior II) da University of Arizona apossaram-se da Conexão Bioquímica de Biotecnologia no Capítulo 8 e a transformaram no processo atual de administração medicamento. O mentor foi Harry Patton, engenheiro empresário, e ode professor da disciplina foi o deles Professor Kimberly Oregon. O Pro- e fessor Todd Hoare, do Departamento de Engenharia Química da Harvard Medical School, forneceu muitas ideias úteis sobre como transformar a publicação srcinal no processo final. Agradecimentos especiais também a Laurie Stargell, Marve Paule e Steven McBryant, da Colorado State University, por sua ajuda e assistência editorial. Agradecemos aos diversos estudantes de bioquímica que utilizaram e comentaram as versões anteriores deste livro. Gostaríamos de agradecer aos colegas que contribuíram com suas ideias e críticas para o manuscrito. Alguns revisores responderam a consultas específicas com relação ao próprio texto. Obrigado por seu esforço e por suas sugestões úteis.
Agradecimentos aos revisores
7ª edição norte-americana Paul D. Adams, University of Kansas Dan Davis, University of Arkansas Nick Flynn, Angelo State University Denise Greathouse, University of Arkansas James R. Paulson, University of Wisconsin–Oshkosh Kerry Smith, Clemson University Alexandre G. Volkov, Oakwood University 8ª edição norte-americana Kenneth Balazovich, Ph.D, University of Michigan Laurent Dejean, California State University at Fresno Marcy Hernick, Virginia Tech
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Bioquímica
Holly Huffman, Arizona State University Mark Kearley, Florida State University James Knopp, North Carolina State University Paul Larsen, University of California–Riverside Gerry Prody, Western Washington University Sandra Turchi, Millersville University Gostaríamos também de agradecer ao pessoal da Cengage Leraming, que foi fundamental no desenvolvimento deste livro: Alyssa White, Promotora de Desenvolvimento de Conteúdo, cujas ideias criativas somaram muito a esta edição; Tanya Nigh, Gerente Sênior de Projeto de Conteúdo, que orientou a produção deste livro, fazendo que o trabalho se tornasse uma tarefa muito mais fácil; e Mary Finch, Diretora de Produção, que foi a fonte de muito encorajamento. Agradecemos a Tom McDonough, nosso de Aquisições na Cengage, que forneceu excelente guiaEspecialista e direções de porDireitos toda a revisão. Agradecemos também a Promotora Associada de Desenvolvimento de Media Elizabeth Woods, a Gerente de Mercado Lindsay Lettre, a Coordenadora de Conteúdo Brendan Killion e a Assistente de Produção Karolina Kiwak. Matt Rosenquist, da Graphic World Inc, atuou diligentemente como nosso editor de produção. As pesquisadoras de fotos e texto Susan Buschhorn e Christie Barros fizeram maravilhas com suas buscas desafiadoras. Estendemos nossa mais sincera gratidão aos aqui citados e a todos os outros aos quais devemos a oportunidade de fazer este livro. Fundamental para a direção dada a este projeto foi o falecido John Vondeling. John foi uma lenda no mercado editorial, e sua orientação e amizade farão falta.
Nota final de Mary Campbell Obrigada a minha família e amigos, cujo apoio moral significou tanto para mim no decorrer do meu trabalho. Anos atrás, quando iniciei este projeto, não percebi que se tornaria uma grande parte de minha vida; parte esta que se tornou imensamente satisfatória.
Nota final de Shawn Farrell Não posso dizer exatamente quão impossível este projeto seria sem minha maravilhosa família, que aguentou um marido e pai que se tornou um ermitão no escritório. Minha esposa, Courtney, conhece o desafio de viver comigo quando estou trabalhando e dormindo apenas quatro horas por noite. Não é fácil, e poucas teriam sido tão compreensivas. Também gostaria de agradecer a David Hall, representante literário, por me iniciar neste caminho, e John Vondeling, por me dar uma oportunidade de me expandir em outros tipos de livros e projetos.
B I O QUÍMICA T ÓPICOS M ODERNOS
A Genética do Câncer de Mama ➤ xxii i Células-tronco: Ciência e Política
➤ xxvi
A Ciência da Felicidade e da Depressão ➤ xxxi Humanos versus Gripe ➤ xxxvi Malária ➤ xl Envelhecimento – Procurando a Fonte Bioquímica da Juventude ➤ xliv Proteínas e Ímãs: Ressonância Magnética Nuclear na Bioquímica ➤ xlvii i
Proteína G – Receptores Acoplados ➤ lii
Tópicos Modernos
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A Genética do Câncer de Mama De todas as doenças que nos causa danos, o câncer certamente se qualica como uma doença mortal. O nível de temor é, se possível, até maior com
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opresa câncer mama. Não é uma têm surquedeinúmeras pesquisas sido devotadas ao tópico. Em outubro de 2012, a Rede de Atlas de Genôma do Câncer Network publicou resultados que representaram o auge de décadas de trabalho. Eles chamaram seus resultados de “retratos moleculares abrangentes dos tumores de mama humanos.” Vamos examinar como esta história se desenvolveu. Um dos estudos principais focou nos aspectos genéticos do câncer de mama. Em 1990, um grupo de pesquisadores na Califórnia estudou 23 famílias "estendidas" com 146 casos de câncer de mama. Eles focaram no número de indivíduos afetados em uma determinada família, especialmente naquelas com início precoce da doença. O método de pesquisa combinou a análise genética clássica com estudos de DNA. A análise estatística de incidência de câncer na árvore genealógica indicou que aqueles cânceres não eram casos esporádicos que surgiam de mutações somáticas nos indivíduos, mas estavam geneticamente relacionados. Em duas dessas duas famílias, homens desenvolveram câncer de mama. É muito incomum que os homens desenvolvam o câncer de mama, mas isto acontece. O DNA foi obtido de amostras de sangue tiradas de 329 membros das famílias sendo estudadas. Os southern blots (veja o Capítulo 13 para detalhes de
DNA. Este resultado foi a primeira pedra fundamental na determinação da genética do câncer de mama. O gene é denominado BRCA1. Aproximadamente na mesma época, pesquisadores em Utah realizavam investigações similares sobre a genética do câncer de mama. Eles usaram a análise genética e citológica para estudar a relação entre
pré-canceroso. Esses resultados os levaram a considerar a possibilidade de que o desenvolvimento do câncer de mama envolva vários genes. Em 1994, um grupo de pesquisadores internacional anunciou a descoberta de um segundo gene para a suscetibilidade ao câncer de mama que não estava relacionado ao BRCA1 . Este segundo gene, de-
como estafunciona) técnica de hibridização de DNA forneceram informações sobre a homologia de amostras de DNA dentre os vários membros da família. A variação no DNA relacionado à ocorrência de câncer de mama foi localizada no cromossomo 17, caracterizado por um número variável de repetições em série de sequências específicas de
proliferativa (PBD) ea doença o câncerdedemama mama. PBD é o termo usado para descrever vários tipos de lesões de mama não malignas. Os pesquisadores descobriram que uma alta incidência de PBD, detectada citologicamente, correlaciona-se fortemente com alto risco de câncer de mama devido à história familiar. A PBD pode representar um estado
nominado BRCA2 , está localizado no cromossomo 13. Algumas diferenças significativas entre os dois genes eram facilmente aparentes. Ambos conferem um alto grau de suscetibilidade ao câncer de mama, mas diferem no grau de risco de câncer de ovário. A presença de BRCA1 aumenta substancialmente o risco de câncer de ovário, mas o BRCA2 não. Além
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Árvores genealógicas mostrando a distribuição genética do câncer de mama em duas famílias. Cada linha horizontal representa uma geração. Os homens são mostrados como quadrados e as mulheres como círculos. Um símbolo preenchido representa um indivíduo que teve câncer de mama, e um em branco a não ocorrência. Observe que os homens podem desenvolver o câncer de mama. ■
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Bioquímica
disso, o câncer de mama masculino não parece estar ligado ao BRCA1 , mas existe um pequeno risco para homens que possuem o gene BRCA2 . Para as mulheres que possuem esses genes, a probabilidade de ter câncer de mama em algum momento da vida é de mais de 80%. Algumas mulheres com esta predisposição genética têm optado pela mastectomia dupla como medida preventiva. Em maio de 2013, o uso da mastectomia dupla como medida preventiva recebeu ampla publicidade quando a atriz Angelina Jolie anunciou que havia passado por esta cirurgia. O teste de DNA mostrou que ela tinha a mutação no gene BRCA1 , que aumenta drasticamente a probabilidade de desenvolver câncer de mama. Na sua contribuição para as páginas de opinião do New York Times, intitulado Minha Escolha Médica, Jolie armou que foi fortemente motivada pelo fato de suas crianças perderem a mãe numa idade tão precoce. Ela tornou sua escolha pública na esperança de que outras mulheres pudessem se beneficiar de sua experiência. Esta notícia de fato levou a uma cobertura jornalística no mundo inteiro e a uma discussão de todos os aspectos do câncer de mama. Inúmeras mulheres escolhem dividir suas experiências de mastectomias, tanto para a prevenção quanto para o tratamento. Essas histórias mostram que o gerenciamento do câncer de mama mudou significativamente no decorrer dos anos, em grande parte por causa dos avanços na pesquisa. Com o passar do tempo, tornou-se aparente que os genes BRCA1 e BRCA2 são supressores do câncer. Algumas famílias têm baixa incidência de câncer de mama até que ocorra um caso com uma dessas mutações. Em praticamente todos esses casos, a mutação provou-se ser herdada dos pais. Um número de outros fatores pode afetar, e de fato afeta, oexemplo, desenvolvimento Por mulheres do comcâncer. altos níveis de atividade física e peso normal na adolescência têm uma tendência mais baixa ao câncer de mama que mulheres que eram sedentárias ou obesas na adolescência. Parece também que os riscos estão aumentando com o tempo. Mulheres nascidas antes de
nascidas > 1940
nascidas < 1940
a m a1,0 m e d r e ,8 c n â c e d ,6 a v it a l u ,4 m u c a ia ,2 c n ê d i c In 0
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FIGURA Uma comparação da incidência de câncer demama para mulheres com mutações de BRCA1 e BRCA2 nascidas antes e depois de 1940, mostrando o risco crescente com o passar do tempo. (Baseado em King, M. et al.(2003). Breast and ovarian cancer risks due to inherited ® mutations in BRCA1 e BRCA2.Science 302(5645),645. Copyright © Cengage Learning )
1940 em famílias afetadas tinham alto risco, mas é maior ainda para mulheres nascidas depois de 1940. A Figura 1 mostra uma comparação da incidência de câncer de mama, particularmente em idades mais baixas, para mulheres nascidas antes de 1940. Claramente o risco está aumentando. Logo em seguida, o sucesso do Projeto Genoma Humano permitiu o acesso à sequência de partes do genoma afetadas por essas mutações de predisposição ao câncer. Em 2006, genes codificados por proteínas extensivamente estudados foram se-
quenciados usando-se amostras de tecidos de pacientes com câncer. Os tumores de mama e colorretais foram usados no estudo porque estão entre os cânceres mais comuns. Como a Figura 2 mostra, foram necessárias várias rodadas de amplicação da reação em cadeia da polimerase (PCR) e subsequente sequenciamento para realizar este objetivo. As sequências dos mesmos genes no tecido normal foram usadas como controles. Outra parte da tarefa foi selecionar as mutações somáticas em indivíduos que são características de câncer e dis-
Uso do PCR para amplificar as sequências codificadas de tumores e de controles.
Identificar as mutações
Fazer a sequência novamente do DNA de tumores para co nfirmar as mutações.
Comparar com os controles
Identificar as mutações somáticas.
Usar os estudos de expressão de gene e de metilação de DNA para finalizar o atlas de retratos moleculares compreensivos de tumores de mama.
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FIGURA Diagrama esquemático do procedimento de varredura usado para identificar mutações associadas ao câncer. (Adaptado de Sjöblom, T., et al. (2006). The consensus coding sequences of human breast and colorectal cancers. Science 314, 269.)
Tópicos Modernos
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tingui-las das mutações germinativas que são passadas para as gerações seguintes. Um resultado importante foi a descoberta de que cada câncer incluía um número de mutações, ao invés de uma única mutação responsável pelo câncer. O trabalho feito neste estudo usa métodos até, mas não incluindo, a parte sombreada em amarelo na Figura 2. Veremos estas técnicas usadas no desenvolvimento do atlas compreensivo de mutações. Em 2007, os cientistas baseando-se em estudo feito no ano anterior foram capazes de chegar a inúmeras conclusões sobre as variações genéticas que levam ao câncer. Um resultado surpreendente é que os tumores contêm um número de mutações individuais. Em um câncer típico, ocorrem aproximadamente 80 mutações, cada uma das quais provoca uma variação de aminoácido. Análises estatísticas sugerem que nem todas essas mutações levam ao câncer. O número de mutações que disparam ou mantêm o câncer é provavelmente menor que 15. Entretanto, a identicação das mutações é apenas o começo. Ela não fornece informações sobre como a mutação leva ao desenvolvimento de um tumor. Identicar as proteínas
Nature citado na bibliografia). Resul-
codificadas mutantes uma etapa àpelos frentegenes porque indica asé vias que podem ser afetadas. Observe o uso de vias no plural, não no singular. Algumas pequenas variações na eficiência de várias reações podem combinar bem com o evento de disparo no desenvolvimento do câncer. Uma olhada nas mudanças estruturais nas proteínas que catalisam reações nessas vias pode sugerir abordagens terapêuticas. Neste estudo, foram encontradas mutações em inúmeras enzimas, incluindo a enzima de glicosilação GALNT5 . A Figura 3 mostra a estrutura cristalina desta enzima com substrato ligado. As esferas amarelas são os aminoácidos que sofreram mutações, que se localizam próximos ao
13 (2007).do[Uma discussão extensiva da remos correlacionarclínicas todas asespecícas mutações genética câncer.] com características e planejar o tratamento adequado. Este Wooster, R. e outros 30 autores. Localizatempo ainda não chegou, mas este tipo tion of Breast Cancer Susceptibility Gene, BRCA2 , to Chromosome 13q 12-1 3. Science de trabalho o torna próximo. 265, p. 2088-90 (1994). [Um relato sobre o
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sítio ativo, superposto na estrutura. Esta informação não sugere nenhum avanço terapêutico, mas sim abordagens para desenvolver novas terapias. O trabalho da Rede de Atlas de Genoma do Câncer construído a partir de toda esta pesquisa anterior culminou na publicação de uma imagem ampla das mudanças genéticas no câncer de mama (veja o artigo da
tados de inúmeros métodos entraram na análise. Uma análise de anomalias na metilação do DNA foi uma técnica, e o sequenciamento de éxons outra. As análises de expressão de gene tanto com o mRNA quanto com o miRNA também tiveram um papel. A expressão de gene pelo DNA foi, ainda, outro método, assim como a análise de polimorfismos de nucleotídeo único (variações em uma base no DNA). Mesmo com técnicas automatizadas e os tipos de processamento em rede descritos no Capítulo 13, este trabalho foi um enorme empreendimento. Veja a Figura 2 para um resumo do método. Observe as técnicas adicionadas àquelas usadas em estudos mais antigos (a parte destacada em amarelo). Esses resultados têm alguma correlação com características clínicas, mas a correspondência não é completa. Sabemos, por exemplo, que o agente quimioterápico herceptina é eficaz apenas nos tipos de câncer nos quais o gene para o Fator de Crescimento Epidérmico Humano (HER2) é sobre-expresso. É possível determinar se este é o caso em pacientes individuais e planejar o tratamento de acordo. Idealmente, virá o tempo quando pode-
Bibliografia Comentada The Cancer Genome Atlas Network. Comprehensive Molecular Portraits of Human Breast Tumours. Nature 490 , p. 61-70 (2012). [Centenas de autores de todo o mundo compilaram informações genéticas sobre os tumores de mama.] Hall, J., Lee, M., Newman, B., Morrow, J., Anderson, L., Huey, B. e King, M. Linkage of Early-Onset Familial Breast Cancer to Chromosome 17q21. Science 250 , p. 1684-89 (1990). [Descoberta de um gene de câncer de mama ( BRCA1 ).] King, YorkM., Breast Marks, Cancer J. e Mardell, Study J., Group. para oBreast New and Ovarian Cancer Risks Due to Inherited Mutations in BRCA1 e BRCA2 . Science 302 , p. 643-46 (2003). [Fatores que afetam o desenvolvimento de câncer em mulheres com essas mutações.] Sjoblom, T. e outros 30 autores. The Consensus Coding Sequences of Human Breast and Colorectal Cancers. Science 314 , p. 268-74 (2006). [O uso das técnicas de biologia molecular para obter informação de sequência nas mutações de tumor que ocorrem com frequência.] Skolnick, M. e outros 12 autores. Inheritance of Ploriferative Breast Disease in Breast Cancer Kindreds. Science 250 , p. 1715-20 (1990). [Um relato sobre a alta incidência de doença de mama proliferativa em famílias com alta incidência de câncer de mama.] Woo d, L. e 40 ou tr os au tore s. Th e Ge nomic Landscapes of Human Breast and Colorectal Cancers. Science 318 , p. 1008-
segundo principal gene de suscetibilidade ao câncer de mama.]
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FIGURA A estrutura da enzima GALNT5. As esferas amarelas estão superpostas, mostrando as mutações de aminoácido em um tumor. (Adaptado de Macmillan Publishers Ltd: The Cancer Genome Atlas Network, (2012). Comprehensive molecular portraits of human breast tumours. Nature 490, 62.)
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Bioquímica
Células-tronco: Ciência e Política Células tronco são precursoras de todos os tipos de células. São células indiferenciadas com a capacidade de formar qualquer tipo
O trabalho inicial com as células ES teve srcem a partir de células cultivadas após terem sido retiradas de embriões. Os pesquisadores desco-
colocadas no tecido cerebral, desenvolvem-se como células cerebrais. Esta é uma descoberta animadora, porque antigamente se acreditava
celular, assimtronco. como As se replicar em mais células células tronco frequentemente são chamadas células progenitoras por sua capacidade de se diferenciar em muitos tipos celulares. Uma célula tronco pluripotente é aquela capaz de srcinar todos os tipos celulares em um embrião ou em um adulto. Algumas células são chamadas multipotentes por poderem se diferenciar em mais de um tipo celular, mas não em todos. Quanto mais longe do estado de zigoto estiver a célula no curso de seu desenvolvimento, menor será a potência do tipo celular. O uso de células tronco, especialmente células tronco embrionárias (ES, do inglês embryonic stem ), tem sido um campo
briram que essas células tronco poderiam ser semeadas e mantidas em cultura por longos períodos. A maioria das células diferenciadas, por outro lado, não prolifera em culturas por períodos prolongados. As células tronco são mantidas em cultura pela adição de certos fatores, como o fator inibidor de leucemia, ou as células alimentadoras (células não mitóticas, como os broblastos). Uma vez liberadas desses controles, as células ES se diferenciam em todos os tipos de células, como mostra a Figura 1.
excitante de pesquisa que realmente decolou no nal da década de 1990.
Células tronco colocadas em um tecido particular, como o sangue, diferenciam-se e se desenvolvem como células sanguíneas. Outras,
haver poucas esperanças para pacientes com lesões na medula espinhal e outras lesões nervosas, visto que as células nervosas normalmente não se regeneram. Em teoria, neurônios poderiam ser produzidos para tratar doenças neurodegenerativas, como o mal de Alzheimer ou o mal de Parkinson. Células musculares poderiam ser produzidas para tratar distrofias musculares e doenças cardíacas. Em um estudo, células tronco de camundongo foram injetadas no coração de um camundongo que sofreu infarto do miocárdio. As células espalharam-se de uma região não afetada para a zona infartada e começaram a desenvolver um novo tecido cardíaco. Células tronco pluripotentes humanas foram usadas para regenerar tecido nervoso em ratos com lesões nervosas, e foi provado que melhoram a ca-
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História da Pesquisa com Células-tronco
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As Células-tronco Oferecem Esperança -
A pesquisa com as células tronco começou na década de 1970 com o estudo de células de teratocarcinoma encontradas no câncer dos testículos. Essas células constituem misturas bizarras de células diferenciadas e não diferenciadas. Elas foram chamadas células de carcinoma embrionário (CE). Descobriu-se que eram pluripotentes, o que levou à ideia de usá-las como terapia. Contudo, a pesquisa foi suspensa porque as células eram
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srcinadas de tumores que tornava seu uso perigoso, e por oserem aneuploides, o que significa que tinham o número errado de cromossomos. Como veremos, a possibilidade de as células tornarem-se cancerosas é uma das principais barreiras a se superar quando consideramos o uso de células tronco para a terapia de tecido.
Células-tronco embrionárias em cultura
Cultura em suspensão
Células
–LIF
alimentadoras
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FIGURA Células-tronco embrionárias pluripotentes podem ser cultivadas em uma cultura celular. Elas são mantidas em um estado indiferenciado quando cultivadas com determinadas células alimentadoras, como os fibroblastos, ou pelo uso do fator inibidor da leucemia (LIF). Quando removidas das células alimentadoras, ou quando o LIF é removido, elas começam a se diferenciar em uma ampla variedade de tipos de tecidos, que podem então ser colhidos e cultivados para a terapia tissular. (Reproduzido de D onovan, P. J.; Gearhart, J. The end of the beginning for pluripotent stem cells.Nature, n. 414, p.92-97, 2001.)
Tópicos Modernos
pacidade motora e cognitiva em ratos que sofreram AVC. (Veja os artigos de Sussman, de Aldhous e de Donovan citados na bibliografia.) Resultados como esses levaram alguns cientistas a armar que a tecnologia das células
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Células somáticas
tronco será o avanço mais importante desde a clonagem. Células tronco realmente pluripotentes são colhidas sobretudo do tecido embrionário e exibem a maior capacidade de se diferenciar em vários tecidos e se reproduzir em cultura celular. Células tronco também foram retiradas de tecidos adultos, uma vez que sempre existem algumas delas em um organismo, mesmo no estágio adulto. Essas células geralmente são multipotentes, pois podem formar vários tipos celulares diferentes, mas não são tão versáteis como as células tronco embrionárias (ES). Por tal motivo, muitos cientistas acreditam que as células ES representam o padrão de ouro para terapia tissular. A aquisição e o uso de células tronco também podem estar relacionados a uma técnica chamada reprogramação celular, um componente necessário de todo processo de clonagem de mamíferos inteiros, como a clonagem que produziu a ovelha mais famosa do mundo, a Dolly. A maioria das células somáticas em um organismo contém os mesmos genes, porém, as células se desenvolvem como tecidos -
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Transferência n uclear
Oócito receptor
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Blastocisto
Transferência para desenvolin vivo
vimento Originar células-tronco pluripotentes
Células diferenciadas:
Hematopoiética Neuronal Miogênica Cardíaca Pancreática ■
FIGURA Reprogramação de um núcleo somático. Quando transplantado em um oócito, o núcleo somático pode a fatores citoplasmáticos eresponder ser novamente reprogramado para totipotência. Esses fatores citoplasmáticos apagam a memória molecular das células somáticas, que podem, então, ser usadas para a colheita de células tronco pluripotentes ou para transferir um blastocisto em um transportador e desenvolver um organismo in vivo. (Reproduzido de Surani, M. A. Reprogramming of genome function through epigenetic inheritance. Nature, n. 414, p. 122-127, 2001.) -
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diferentes, com padrões de expressão genética extremamente diversos. Um mecanismo que altera a expressão dos genes sem alterar a verdadeira sequência de DNA é chamado mecanismo epigenético. Um estado epigenético do DNA em uma célula é um traço herdado que permite a existência de uma “memória molecular” nas células. Em essência, uma célula hepática pode se lembrar de onde veio e continuará a se dividir e permanecerá como célula hepática. Esses estados epigenéticos envolvem a metilação de dinucleotídeos de citosina-guanina e interações com proteínas da cromatina. Os genes de mamíferos possuem um nível adicional de informação genética chamada imprinting , que permite que o DNA mantenha uma memória molecular de sua srcem da linha germinativa. O DNA paterno é impresso de modo diferente do materno. No desenvolvimento normal, apenas o DNA srcinado dos dois pais seria capaz de se combinar e srcinar uma descendência viável.
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Normalmente, os estados epigenéticos das células somáticas são travados, de modo que os tecidos diferenciados permaneçam estáveis. A chave para a clonagem de um organismo inteiro foi a capacidade de apagar o estado epigenético e devolvê-lo ao estado de um ovo fertilizado, que tem o potencial de produzir todos os tipos celulares. Foi mostrado que, se o núcleo de uma célula somática for injetado em um oócito receptor (veja a Figura 2), o estado epigenético do DNA pode ser reprogramado, ou pelo menos parcialmente. A memória molecular é apagada e a célula começa a se comportar como um verdadeiro zigoto. Isto pode ser utilizado para srcinar células tronco pluripotentes ou para transferir um blastocisto em um portador materno para crescimento e desenvolvimento. Em novembro de 2001, o primeiro blastocisto humano clonado foi criado deste modo, com o objetivo de desenvolver células suficientes para a colheita de células tronco pluripotentes para pesquisa. -
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A Ciência Assume a Política A controvérsia continua a enfurecer o mundo inteiro sobre o uso das células ES. A questão é sobre ética e denição de vida. As células ES vêm de muitas fontes, incluindo fetos abortados, cordões umbilicais e embriões de clínicas de fertilização in vitro. O relatório sobre as células embrionárias humanas clonadas aumentou a controvérsia. Sob a administração de Bush, em 2001 o governo dos Estados Unidos baniu o financiamento governamental para pesquisa das células tronco, embora permita que as pesquisas continuem em todas as linhagens celulares embrionárias já existentes. As questões impulsionando as controvérsias são: algumas poucas células criadas por clonagem terapêutica de suas próprias células somáticas constituem vida? Se constituem vida, elas têm os mesmos direitos que um ser humano concebido naturalmente? Se fosse possível, seria permitido que alguém desenvolvesse seu clone terapêutico até um adulto? -
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Bioquímica
Em março de 2009, o presidente Obama anunciou que estava revogando a política de célula tronco da administração Bush, dando nova esperança ao pesquisadores de célula tronco, embora ainda exista muita burocracia em relação a quais linhagens de células poderiam ser usadas e a ética por trás delas. Em dezembro de 2009, o National Institutes of Health (NIH) listou as 13 novas linhagens aprovadas para financiamento federal. Esperava-se que mais de uma centena de novas linhagens fossem aprovadas até o m de 2010. Em abril de 2009, o NIH liberou um rascunho de suas recomendações, que foi visto como um grande avanço em relação às 21 linhagens de células aprovadas antes. Algumas restrições são baseadas em quando as linhagens de células foram derivadas e a ética envolvendo o consentimento dos doadores. As novas l inhagens de célula tinham que ser derivadas de embriões excedentes de casais que passaram por tratamento de fertilidade. As linhagens de células tronco derivadas de pesquisa de clonagem ou de transferência nuclear de célula -
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somática Apesarnão da eram ordemelegíveis. executiva de Obama removendo as restrições da administração Bush na pesquisa de célula tronco, o campo foi atingido por um sério golpe em agosto de 2010. Dois pesquisadores, James Sherley e Theresa Deisher, processaram o governo federal com base na ilegalidade de nanciar pesquisa em células ES, uma vez que o financiamento os privava de fazer pesquisas com outros tipos de célula. O juiz Royce Lamberth concordou e determinou que o nanciamento de pesquisa em célula ES humana tinha que ser suspenso. Os advogados do governo argumentaram em outra direção, alegando que o dano às carreiras de dois cientistas é excedido pelo mal a pacientes que estavam sendo privados de curas em potencial e a contribuintes cujos impostos estavam sendo desperdiçados enquanto a moratória na pesquisa ocorria. A decisão de Lamberth jogou a pesquisa em célula tronco em um parafuso por dois anos. -
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As cortes federais analisaram o processo movido por Sherley e Deisher, decidindo finalmente pela revogação da sentença de Lamberth. Finalmente, em janeiro de 2013, a Suprema Corte decidiu não acolher o recurso contra a decisão das cortes federais, basicamente fazendo a pesquisa em célula tronco retornar à posição que mantinha depois da ordem executiva de Obama em permitir nanciamento federal para a pesquisa em célula ES humana. Embora pou-
nicas terapêuticas. Nessa pesquisa foram usadas as células MAP para repopular as células sanguíneas de camundongos cujas células sanguíneas tinham sido destruídas pela radiação. (Veja os artigos de Holden citados na bibliografia para mais métodos de produção destas células tronco menos controversas.) Vários outros laboratórios começaram a examinar outras maneiras de produzir células com propriedades pluripotentes sem ter que usar tecido embrionário.
cos acreditem que o debate tenha acabado, atualmente os pesquisadores e pacientes de célula tronco estão novamente esperançosos em relação a seus futuros.
Um dos maiores avanços foi feito pelo pesquisador japonês Shinya Yamanaka. Enquanto muitos outros estavam pegando novas células ES e trabalhando no controle de como diferenciá-las corretamente em tecidos alvo, ele decidiu por uma abordagem oposta e começou a procurar maneiras de criar células tronco a partir de células somáticas normais. Este pesquisador criou a hipótese de que proteínas específicas seriam encontradas nas células embrionárias, mas não nas células diferenciadas. Ele imaginou que se pudesse introduzir genes para essas proteínas nas células diferenciadas, poderia ser capaz de convertê-las de volta ao estado pluripotente. Depois de quatro anos de pesquisa, ele desvendou 24 fatores que transformariam células de broblastos da pele em células pluripotentes em camundongos, e descobriu que estas células eram quase idênticas às células tronco. Yamanaka então descobriu que através da introdução de quatro genes especícos nas células de fibroblastos, poderia ser realizada a mesma coisa. Em 2006, ele publicou seu artigo marco no qual identificou estes quatro genes como Oct3/4 Sox2 c-Myc e Klf4 . As células derivadas deste processo são chamadas células tronco pluripotentes induzidas (células iPS). Yamanaka e outros pesquisadore s têm derivado células iPS de muitos tecidos, incluindo fígado, estômago e cérebro. Estas células mostram algumas das mesmas habilidades que as células tronco verdadeiras e têm sido transformadas em células de pele, músculo, cartilagem e nervos. Em 2007, pesquisadores dos Estados Unidos estenderam a técnica para criar células iPS humanas em
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A Busca Por Células-tronco Menos Controversas -
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Embora o futuro da pesquisa em célula tronco esteja muito mais claro agora do que estava em 2010, os pesquisadores não se acomodaram durante os anos de dificuldades. Em vez disso, começaram a tentar encontrar maneiras de criar células tronco que não pareçam tão controversas. Pesquisadores da Universidade de Columbia propuseram que os embriões que tinham parado de se dividir poderiam fornecer uma boa fonte de células tronco. As clínicas de fertilidade que fazem fertilização in vitro têm muito mais embriões fracassados que bem sucedidos. No momento em que percebem que os embriões não são viáveis e decidem não implantá-los, poderiam ser capazes de cultivar células tronco a partir deles. Outras tentativas de gerar células tronco envolvem usar outros tecidos, como células do líquido amniótico. Estas têm muitas das propriedades de células tronco verdadeiras, embora não sejam verdadeiramente pluripotentes. Catherine Verfaillie da Universidade de Minnesota tem puricado células da medula óssea chamadas células progenito ras multipotentes adultas (MAP). Estas são menos versáteis que as células tronco embrionárias, mas a pesquisa sugeriu que podem ser muito úteis para téc-
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Tópicos Modernos
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um trabalho reconhecido como o segundo colocado no Avanços do Ano do periódico Science. Há duas preocupações com a pesquisa srcinal que levou à produção das células iPS. A primeira foi o uso do gene c - My c , que é um poderoso gene do câncer. Em suma, produzir células pluripotentes pode ser examinado como similar a produzir células cancerosas já que as duas têm muitas das mesmas propriedades. Além disso, a pesquisa
Cortando o Homem Médio
As Células-tronco São uma Fraude?
Independente do uso de células ES ou iPS, a pesquisa srcinal que levou à terapia de tecido envolveu várias modificações no tipo de célula. Primeiro uma célula tinha que ser mudada para uma pluripotente. Então a célula pluripotente tinha que ser convertida no tipo de tecido desejado. O mais novo processo envolve evitar esta transição e mudar um tipo de cé-
mostrou que nos camundongos, o
lula diretamente para outro. No nal de 2008, pesquisadores da Universidade de Harvard usaram técnicas de reprogramação de célula para mudar de um tipo de célula pancreática em camundongos para células beta que produzem insulina. Esta técnica permite a programação direta de um tipo de célula em outro. Depois de analisar cuidadosamente 1.000 fatores de transcrição, os pesquisadores descobriram que ativando apenas três genes nas células exócrinas do pâncreas dos camundongos, podiam mudar células exócrinas para células beta produtoras de insulina. Uma técnica similar, chamada troca de linhagem, envolve outra maneira de trocar os
Nenhum pesquisador ético lhe diria que estaremos curando danos severos à medula espinhal no próximo ano ou mais, apesar de muitos experimentos promissores em modelos animais. Dada a diculdade em reparar tecidos nervosos, o fato de haver qualquer melhora pode parecer incrível, mas serão muitos anos ou décadas até que os tratamentos estejam facilmente acessíveis. Ainda há muito que se aprender sobre todas as formas de reprogramação de célula. Por exemplo, mesmo que os pesquisadores sejam capazes de transformar células pancreáticas de camundongo de um tipo em outro, a aprovação para tentativas humanas dependeria de um melhor entendimento do motivo exato do funcionamento do processo, algo que ainda é um mistério. Infelizmente, a esperança oferecida pelas células tronco fez surgir muitas clínicas que prometem resultados para clientes desesperados. Uma dúzia ou mais de companhias produzem células tronco para uso clínico, e há clínicas em vários países, incluindo Turquia, Azerbaijão, República Dominicana, Holanda e China. Campanhas de propaganda de tais países têm atraído vários pacientes dispostos a gastar mais de US$ 20.000 pela terapia de célulatronco, mas ainda existe pouca prova de que qualquer das declarações dessas clínicas sejam válidas. Muitos cientistas de reputação na pesquisa mundial em células tronco estão atualmente investigando algumas das declarações e instalações dessas companhias. (Veja o artigo de Enserink citado na bibliografia para uma descrição completa do estado das clínicas de terapia de célula tronco humana.) A luta política sobre células tronco continua nos Estados Unidos. Até mesmo celebridades têm apoiado a pesquisa em célula tronco e políticos que a apoiam. O ator Michael J. Fox, ele próprio vítima do mal de Parkinson, é um patrocinador importante da pesquisa em células tronco (veja Figura 3). Enquanto a imprensa popular tem focado o uso potencial de células
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c-Myc pode ser evitado e, mesmo as-
sim, as células iPS podem ser produzidas. O outro risco é de que os quatro genes foram entregues usando retrovírus, que como visto no Capítulo 13, é um procedimento que carrega seus próprios riscos. Este segundo perigo foi tratado em novembro de 2008, quando Matthias Stadtfeld e coautores geraram células iPS sem integração viral usando o adenovírus do resfriado comum. O adenovírus foi capaz de produzir os cofatores necessários nas células sem se integrar no DNA da célula hospedeira. Suas células iPS mostraram todas as habilidades das células iPS geradas com ,
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o retrovírus. Pensa-se que esta seja uma alternativa mais segura. Os cientistas sabem mais sobre como criar as células iPS do que sobre os motivos de suas técnicas funcionarem, mas continuam buscando as razões. Em 2009, Yamanaka, bem como vários outros pesquisadores, publicaram simultaneamente evidência de que uma parte crítica da produção de iPS é a supressão de p53 , um gene supressor de tumor discutido no Capítulo 14. Entretanto, isso leva a uma situação complicada. Para fazer células iPS, o p53 deve ser suprimido, mas para as células ser estáveis e úteis uma vez criadas, este fator de transcrição deve ser reativado. A criação de células iPS foi um grande avanço, mas o novo tipo de bloco ainda não convenceu muitas pessoas. As mais recentes comparações de células iPS e ES tradicionais indicam que as células ES são mais fáceis de ser diferenciadas em tecidos alvo que suas correlatas iPS.
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tipos de células; neste caso voltando a célula para uma menos diferenciada até um ponto de ramicação e então rediferenc iando-la em outra coisa. Tais destinos têm implicações óbvias para o tratamento da diabetes e muitas outras doenças. ,
Muitos Caminhos para a Reprogramação Pesquisadores interessados em estudar a reprogramação de célula têm uma variedade de caminhos para escolher atualmente. Um deles é transferir um ovo não fertilizado, como no processo que levou à ovelha clonada Dolly. O caminho mostra como uma célula diferenciada do estômago pode ser usada para regressar a um estado não diferenciado na forma de uma célula pluripotente. Outro, ainda, é trocar uma linhagem na qual um macrófago se torna um linfócito. Outro é a conversão direta de uma célula exócrina em uma célula beta endócrina.
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Bioquímica
tronco para terapia de tecido para curar doenças, há outro uso muito importante das células tronco, chamado modelagem de doença. Os cientistas podem pegar células de pacientes individuais, criar iPSCs e fazê-las crescer em cultura. Essas células têm a mesma doença genética que o paciente. Com um conjunto expandido adequado de células para trabalhar, eles podem então estudar o efeito de medicamentos nas células do paciente, permitindo basicamente -
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experimentação direta em um virtual “paciente em uma placa de petri”. Embora não tão glamouroso quanto a potencial cura de uma severa medula espinhal via terapia de tecido, em curto prazo a modelagem de doença permitirá o uso incontroverso das células do próprio pacient e para ajudar a tratar uma doença (veja o artigo de Vogel na bibliograa).
Bibliografia Comentada
Donovan, P. J.; Gearhart, G. The End of the Beginning for Pluripotent Stem Cells. Nature 414 , p. 92-97, 2001. [Uma revisão da situação da pesquisa com células tronco.] Enserink, M. Selling the Stem Cell Dream. Science 313 , p. 160-63, 2006. [Artigo sobre as clínicas que consideram a propaganda em torno de terapias de célula tronco.] Gurdon, J. B. e Melton, D. A. Nuclear Reprogramming in Cells. Science 322, p. 1811-15 (2008). Holden, C. Biologists Change One Cell Type Directly into Another. Science 321, p. 1143 (2008). ----. Controversial Marrow Cells Coming into Their Own? Science 315, p. 760-61 (2007). [Artigo dobre as células progenitoras multipontentes da medula óssea.] ----. A Fresh Start for Embryonic Stem Cells. Science 322 , p. 1619 (2008). [Um dos primeiros anúncios sobre a revogação de Obama do banimento de célula tronco.] ----. NIH Aproves First New Lines; Many More on the Way. Science 326 , p. 1467 (2009). [Artigo sobre as novas linhas de célulatronco aprovadas sob a administração Obama.] ––. Scientists Create Human Stem Cell Line from “Dead” Embryos. Science 313, p. 1869 (2006). [Artigo sobre uma possível fonte menos controversa para células tronco.] -
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----. Versatile Stem Cells without the Ethical Baggage? Science 315 , p. 170 (2007). [Artigo sobre os líquidos amnióticos e seu uso como substitutos das células tronco.] -
Holden C. e Kaiser, J. Draft Stem Cell Guidelines Please Many, Disappoint Some. Science 324, p. 446 (2009). [Artigo sobre as reações para as novas recomendações de célula-tronco.] Hornyak, T. Turning Back the Celular Clock. Scientific American , p. 112-15 (Dezembro de 2008). [Uma revisão da pesquisa inicial que levou às células iPS.] Normile, D. Receipe for Induced Pluripontent Stem Cells Just Got Clearer. Science 325, p. 803 (2009). Stadfeld, M., Nagaya, M., Utikal, J. Weir, G. e Hochedlinger, K. Induced Pluripotente Stem Cells Generated without Viral Integration. Science 322 , p. 945-49 (2008). [Trabalho srcinal mostrando que as células iPS podem ser produzidas usando adenovírus.] Sussman, M. Cardiovascular Biology: Hearts and Bones. Nature 410 , p. 640-41, 2001. [Artigo sobre como as células tronco podem ser usadas para regenerar tecidos.] -
Vogel, G. Diseases in a Dish Take Off. Science 330, p. 1172-73 (2010).
Aldhous, P. Can they rebuild us? Nature 410, p. 622-25, 2001. [Artigo sobre como as células tronco podem levar a terapias para reconstrução de tecidos.] -
s e g a Im tyt e G yl/ r te r a u Q l a n io ss e r g n o C /l l re r Fe . J tt co S ©
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FIGURA Ativistas famosos. Michael J. Fox tem sido entrevistado várias vezes em relação à política norte-americana sobre a pesquisa em células tronco. Ele também tem feito campanha para políticos que a apoiam. -
Tópicos Modernos
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A Ciência da Felicidade e da Depressão Independente se pensamos sobre isto ou não, felicidade é um tópico importante nas nossas vidas. Nos Estados Unidos, sempre pensamos sobre a
lar seu próprio estímulo. Um paciente se autoestimulou 1.500 vezes em uma sessão de três horas. Esses experimentos ajudaram a denir estruturas no cé-
de prazer, então inundá-las com dopamina ou remover os receptores de dopamina alteraria a resposta do animal a um estímulo prazeroso, mas isto
importância da felicidade, motivofundamental pelo qual os fundadores incluíram “vida, liberdade e a busca da felicidade” na Declaração de Independência. Quanto tempo gastamos ponderando a natureza da felicidade é uma reexão sobre a natureza de nossas vidas e quanto temos que lutar para sobreviver. Uma geração atrás, as pessoas estavam muito ocupadas, tentando colocar comida na mesa, para se preocupar com coisas tolas como se eram ou não felizes. Entretanto, no século XXI, ao menos nos países de primeiro mundo, as pessoas têm mais tempo e luxo para pensar sobre isso.
rebro que seriam chamadas deexperi“centro do prazer”, e as teorias destes mentos perduraram por décadas. Nos anos seguintes, muitos pesquisadores usaram modelos animais parademonstrar resultados similares. Embora possa não ser intuitivo que alguém possa dizer se um rato está deprimido ou não, há determinados comportamentos que são comuns a todos os mamíferos, e os pesquisadores usam essas dicas para determinar se animais não humanos estão deprimidos. Entretanto, uma suposição sutil no trabalho inicial foi a de que a repetição implicava que o indivíduo estava derivando prazer da resposta. E se este nem sempre fosse o caso? No início da década de 2000, Morten
O e o Prazer ParaCérebro começar a entender a natureza
Kringelbach e Kent Berridge (veja o artigo The Joyful Mind na bibliografia) começaram a questionar essa suposição. Muitos comportamentos viciantes conhecidos podem ser encontrados quando um indivíduo repete uma ação obsessivamente, mesmo sem parecer desfrutar verdadeiramente do objeto desta obsessão. Usando modelos animais, eles começaram a estudar o enigma “gostar versus querer”. As regiões do cérebro identificadas na década de 1950 estão posicionadas na frente do cérebro e são ativadas pelo neurotransmissor dopamina (mostrado adiante), liberado pelos neurônios que se srcinam próximo ao tronco cerebral.
não foi o que descobriram. Eles usaram knockout (Capítulo camundongos 13) que não tinham uma proteína que removeria a dopamina assim que fosse liberada. Assim, estes animais teriam mais dopamina em seus sistemas. Se a dopamina estivesse levando ao prazer, deveriam ser camundongos “mais felizes” quando encarassem estímulos de prazer. Entretanto, o que eles descobriram foi que os camundongos buscavam estímulos de prazer, tais como comidas doces, mais ativamente que seus correlatos normais, mas, uma vez que conseguiam o prêmio, pareciam não gostar mais dele. Os roedores privados de dopamina não mostram interesse em oferendas doces. Eles morrem de fome, a menos que sejam cuidados. Consequentemente, a dopamina não parece ser o neurotransmissor do prazer, mas está intimamente ligada à motivação de atingir o prazer, uma distinção sutil. Em estudos humanos, a dopamina também parece mais relacionada à percepção pessoal do quanto se quer muito uma coisa, ao invés de quanto se gosta dela. Isso também foi conrmado pelos estudos de pessoas viciadas em drogas de recreação, muitas das quais agem inundando o cérebro com dopamina. O vício persiste por muito tempo após a sensação de prazer associada com a droga cessar. Os alcoólatras e os viciados em drogas normalmente “têm que” ingerir seus venenos específicos mesmo que não queiram.
da felicidade, devemos primeiro ser capazes de entender como o cérebro funciona em relação às emoções que associamos com a felicidade. Por décadas os cientistas vêm tentando determinar onde estão os “centros de felicidade” no cérebro. Na década de 1950 um psiquiatra chamado Robert Heath fez alguns trabalhos pioneiros no mapeamento do cérebro através do implante de eletrodos nos cérebros de pacientes que sofreram de uma variedade de aflições, incluindo epilepsia, esquizofrenia e depressão. Ele estava tentando encontrar o assento biológico das desordens estimulando regiões no cérebro, oincríveis. que resultou em algumas descobertas Os pacientes catatônicos com desesperança sorriam, falavam e davam gargalhadas enquanto as áreas de seus cérebros eram estimuladas, mas, assim que o estímulo terminava, retornavam a seus estados catatônicos. Para continuar o estudo, Heath instalou eletrodos em cinco pacientes, que poderiam contro-
HO
NH2
HO
Dopamina
Kringelbach e Berrige criaram a hipótese de que se essas áreas do cérebro fossem realmente os centros
O focou trabalho da do década de 1950 emsrcinal uma área cérebro próxima ao tronco cerebral, agora chamada área tegmental ventral, como mostrada na Figura 1. Esta área se comunica com várias outras áreas do cérebro como mostrado, mas acredita-se agora estar relacionada à parte do desejo do prazer, em vez de à parte de gostar.
xxxii
Bioquímica
próximos. Estes então liberam outro hormônio chamado anandamida (mostrado a seguir): O
Córtex cingulado
HO N H
Núcleo acumben
Córtex insular
(b) Córtex orbitofrontal
Amígdala Lobo ventral
(c) Extremidade Receptor de terminal de anandamida neurônio Neurônio vizinho
Área tegmental ventral (a)
Anandamida Encefalina ■
Receptor de encefalina
FIGURA Querer e gostar.Evidência mostra que existe uma diferença entre querer e gostar, embora estes estejam relacionados. Em (a), vários caminhos neurais associados com o querer começam na área tegmental frontal e são propagados para outras partes do cérebro (setas azuis). Essas vias do querer são com frequência associadas com a liberação do neurotransmissor dopomina as vias já foram pensadas para ser as únicas relacionadas ao prazer. Mais recentemente, os pesquisadores focaram outras áreas que estão relacionadas ao gostar (b). Estas envolvem pontos hedônicos (mostrados em vermelho), como o núcleo acumben e o lobo ventral. A química envolvida nestes pontos hedônicos está mostrada em (c). Um estímulo de prazer, como o gosto por chocolate, induz a extremidade terminal de um neurônio a liberar encefalina, que migra para um neurônio vizinho, onde se ligam aos receptores de encefalina. Este libera outro neurotransmissor, anandamida, que é a versão natural do organismo do ingrediente ativo da maconha, THC. A anandamida volta para os seus receptores no primeiro neurônio, estabelecendo um circuito de retroalimentação que estende o sentimento de prazer. A( XS Biomedical Animation Studio, Inc. )
Por exemplo, receber um presente que você realmente quer é normalmente mais graticante que receber um que você não queria. Sem descontar a importância do querer, os cientistas procuraram encontrar outras áreas do cérebro que
encontrando áreas nos cérebros de roedores que, quando estimuladas, aumentavam os sinais de aparência de prazer. Os caminhos que estão relacionados aos sentimentos de prazer nestas estruturas não são baseados na dopamina. Em vez disso, o são
estavam relacionadas com o prazer, que ficaram conhecidas como pontos hedônicos. Um destes é encontrado em uma sub-região dos núcleos acumbens (mostrado em vermelho na Figura 1). Outra é encontrada próxima ao lobo ventral (também mostrado em vermelho). Kringelbach e Berridge identicaram essas descobertas
nos hormônios discutidos no Capítulopeptídicos 3, chamados encefalinas (mostrado adiante), que são pentapetídeos: Tyr—Gly—Gly—Phe—Met ou Tyr—Gly—Gly—Phe—Leu As encefalinas ligam-se aos receptores opioides nos neurônios
Anandamida
A anandamida é a versão natural do organismo da molécula de THC, encontrada na maconha, e acredita-se que regule e propague o sentimento de prazer instigado pelas encefalinas. Embora cada um dos pontos hedônicos seja pequeno, como mostrado na Figura 1, eles fazem uma inter-relação complexa com muitas partes do cérebro. É bastante complicado e indubitavelmente será estudado por anos à frente, mas a separação de querer e gostar foi a pedra fundamental para a psicologia.
Não se Preocupe – Seja Feliz Alguns acreditam que ela seja causada pelo nosso estilo de vida competitivo. Outros pensam que seja devida a toxinas. Outros, ainda, que se deve à má alimentação. Qualquer que seja a causa, não há dúvida de que milhões de norte-americanos sofrem de depressão. A indústria farmacêutica e os campos de psiquiatria e psicologia são fortemente financiados por receitas de pacientes lutando contra a depressão. Mas, antes de falarmos sobre grandes medicamentos e antidepressivos, vamos examinar algumas das pesquisas sobre opções mais seguras e mais baratas. Nos últimos anos, descobriu-se que uma deficiência em muitos compostos está relacionada com a depressão.
Ácidos Graxos No início de 2011, pesquisadores relataram on-line, no periódico Nature Neuroscience, que as deficiências em ácidos graxos poli-insaturados
Tópicos Modernos
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ômega 3 alteram o funcionamento do sistema endocanabinoide, um grupo de lipídeos e seus receptores que estão envolvidos no humor, nas sensações de dor e em outros processos. Eles observaram que camundongos submetidos a uma dieta baixa em ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 têm baixo níveis de ômega-3 no cérebro, o que está associado com uma alteração no funcionamento do sistema endocanabinoide, especificamente a um déficit do receptor do canabi-
de depressão. As participantes serão avaliadas em três pontos para níveis de vitamina D no sangue e outros fatores. Há evidência para sugerir que a suplementação de vitamina D pode diminuir a resistência à insulina. A diabetes tipo 2 está em crescimento nos Estados Unidos e há algumas evidências de que vários fatores, incluindo a alimentação e as deficiências em vitaminas, podem levar a esta doença, bem como à depressão associada.
noide CB1 no córtex pré-frontal do cérebro. Os receptores de canabinoides são uma classe de receptores da membrana celular sob a superfamília Receptor Acoplado à Proteina G. Os receptore s de canabinoides são ativados por três grupos principais de ligantes endocanabinoides (produzido pelos mamíferos), planta canabinoide (como o THC, produzido pela canabis) e canabinoides sintéticos. Todos os endocanabinoides e plantas canabinoides são compostos lipofílicos, isto é, solúveis em gorduras. O receptor canabinoide CB1 tem sido relacionado a desordens depressivas. Os estudos seguiram mais de 600 casos de depressão e mostraram que
Vitamina B12 A vitamina B12 tem a maior e mais complexa estrutura química de todas as vitaminas. Ela é única dentre as vitaminas por conter um íon metálico, o cobalto. Cobalamina é o termo usado para se referir a compostos com atividade da vitamina B12. A metilcobalamina e a 5-desoxiadenosil cobalamina são as formas da vitamina B12 usadas pelo corpo humano. Muitos su plementos contêm cianocobalamina, que é rapidamente convertida em 5-desoxiadenosil e metilcobalamina. Nos mamíferos, a cobalamina é um cofator para apenas duas enzimas, metionina sintase e L-metilmalonil-CoA mutase.
os pacientes que tinham alimentação mais rica em ácidos graxos trans tinham quase 50% mais probabilidade de ser depressivos. Embora muita pesquisa ainda precise ser feita, isto poderia indicar que comer salmão e outras fontes de ácidos graxos ômega 3, bem como alimentação baixa em ácidos graxos trans, podem ajudar tanto a cabeça quanto o coração.
A metilcobalamina é necessária para a função da enzima dependente de folato, metionina sintase. Esta enzima é necessária para a síntese do aminoácido metionina, a partir da homocisteína. A metionina, por sua vez, é necessária para a síntese de S-adenosilmetionina, um grupo doador de grupo metila usado em muitas reações biológicas de metilação, incluindo a metilação de um número de locais dentro do DNA e RNA. Acredita-se também que a deficiência de vitamina B12 esteja envolvida na depressão. Estudos descobriram que até 30% dos paciente s hospitalizados em razão da depressão são deficientes em vitamina B12. Um es-
Nas décadas que se seguiram, houve uma explosão no número e nos tipos de medicamentos comercializados para combater a doença pouco conhecida. Algumas das principais classes de antidepressivo e como eles funcionam são mostrados a seguir. A maioria inibe a recaptação dos neurotransmissores que estão associados à felicidade e à depressão. Os inibidores de recaptação seletiva de serotonina (SSRIs) são atualmente um dos antidepressivos mais populares. Eles bloqueiam a reabsor-
tudo de várias centenas de mulheres portadoras de deciências físicas com idade acima de 65 anos mostrou que aquelas com deficiência de vitamina B12 tinham quase 70% mais probabilidade de sofrer depressão que aquelas cujos níveis de vitamina B12 eram normais. A relação entre a deciência de vitamina B12 e a depressão não está
ção do neurotransmissor, serotonina. Os exemplos comuns destes são: Prozac®, Zoloft® e Lexapro®. Os inibidores de recaptação de norepinefrina (NRIs) bloqueiam a recaptação deste importante neurotransmissor. Os inibidores de seretonina-norepinefrina (SNRIs) bloqueiam a recap-
Vitamina D Um experimento clínico está testando o efeito da suplementação de vitamina D na resistência da insulina e no humor em mulheres diabéticas. A resistência aumentada à insulina (diabetes tipo 2) tem sido associada à depressão. Níveis mais altos de vitamina D têm sido associados a um risco reduzido de depressão, diabetes e outros alimentos. O estudo está procurando administrar 50.000 unidades internacionais de vitamina D por semana por 6 meses a 80 mulheres com diabetes tipo 2 estável e idades entre 18-70 anos com sinais
muito clara, mas pode envolver a S-adenosilmetionina (SAMe). A vitamina B12 e o folato são necessários para a síntese de SAMe, um doador de grupo metila essencial para o metabolismo de vários neurotransmissores.
Antidepressivos – Apresentando as Grandes Armas? Pessoas vêm tentando curar a depressão por séculos usando qualquer que seja sua versão de uma “pílula da felicidade”. Até a década de 1950, os medicamentos opioides eram usados para a depressão, seguidos pelas anfetaminas através da década de 1960. Em 1952, o psiquiatra Max Luri foi o primeiro a usar um antidepressivo dedicado, Isoniazida, embora tenha sido usado anteriormente para combater a tuberculose. H N
O
NH2
N
Isoniazida
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Bioquímica
tação tanto de serotonina quanto de norepinefrina e representam outra importante classe moderna de antidepressivos. Os inibidores de recaptação de norepinefrina-dopamina (NDRIs) incluem o Wellbutrin®. Os inibidores de monoamina oxidase (MAOIs) eram uma classe mais antiga de antidepressivos. Eles agem inibindo a enzima monoamina oxidase, que degrada dopamina, serotonina e norepinefrina. Devido a complicações com estes medicamentos, eles não são mais receitados como antes. Existem várias outras classes de antidepressivos, e cada uma das descritas abrangem muitos exemplos de medicamentos. Por consequência, pode-se perguntar por que a depressão ainda não foi eliminada de uma vez. Infelizmente, nenhum desses medicamentos funciona como esperávamos em um mundo perfeito. Robin Marantz Henig descreve em seu artigo intitulado Lifting the Black Cloud (Levantando a Nuvem Negra) (veja o artigo na bibliografia) um caso bem comum de uma paciente ®
que gastou um ano seu comapetite Paxil sex(um SSRI), que destruiu ual. Ela então tentou Xanax ®, um medicamento ansiolítico. Este trouxe de volta seu apetite sexual, mas teve outros efeitos colaterais. Então ela tentou o Paxil de novo, seguido pelo Lexapro (outro SSRI) e o Pristiq® (um SNRI). Então, ela foi para o Zolof e Wellbutrin, o último dos quais se supunha eliminar os efeitos colaterais do Zolof. Infelizmente esta abordagem de tentativa e erro é comum com a prescrição de antidepressivos. Eles não funcionam da mesma forma para todo mundo. O mais comum e popular desde as décadas de 1980 enão 1990 são os SSRIs e SNRIs, mas funcionam em 30% dos casos. Eles também levam muito tempo para começar a funcionar , por volta de semanas. Durantes essas semanas, as chances de suicídio s ão cinco vezes maiores. As companhias de medicamentos continuam a buscar melhores medicamentos, mas o
Controle u d e . le a /Y n ia n a j a h g A e rg o e G .f o r P f o sy e tr u o C
■
Cetamina
presença cetamina, mostrou-se que os dendritos neuronais fazem FIGURA crescer mais Na espinhas quede o controle.
número daquelas dispostas a fazer este esforço está diminuindo, o que é uma má notícia para as 15 milhões de pessoas só nos Estados Unidos que estão clinicamente depressivas. Os cientistas estão buscando um antidepressivo que funcione mais rapidamente. Isto eliminaria o perigoso período de espera e torná-los-ia mais ecientes para determinar qual o correto para determinado indivíduo. Uma maneira foi começar com modelos animais, usando medicamentos que se sabe serem mais rápidos. Um desses medicamentos é a cetamina.
A cetamina é um analgésico e uma droga ilícita chamada K especial. Em grandes doses, provoca alucinações, e em roedores pode ser tóxica para as células nervosas, tor-
tex pré-frontal, uma área do cérebro que se comporta anormalmente nos animais deprimidos. Com 24 horas, os camundongos começam a mostrar novas espinhas sinápticas junto com dendríticas, que são projeções que recebem impulsos de outros neurônios. Em vários estudos, quanto mais espinhas, mais rapidamente os impulsos nervosos são transmitidos e menos o animal mostra sinais de depressão. Na depressão existe atrofia no córtex pré-frontal e no hipocampo. Está claro que a criação das espinhas sinápticas é uma maneira como a cetamina ou outros medicamentos similares ajudam a combater a depressão. A Figura 2 mostra como os dendritos fazem crescer mais espinhas quando a cetamina é administrada. Pesquisa adicional com a cetamina tem demonstrado que o crescimento neuronal é mediado através da ativação de uma enzima chamada mTOR, a mesma enzima vista no Tópico Moderno sobre envelhecimento. Como muitos acreditam que a cetamina seja muito arriscada para um antidepressivo , os cientistas estão buscando outros medicamentos que ativam a mTOR. Sabe-se que a ceta-
nando-a menos ideal paraum osantidepressivo humanos. Entretanto, parece funcionar muito rapidamente e alivia os sintomas quase imediatamente. Estudos em camundongos mostraram que o medicamento faz que comecem a produzir proteínas necessárias para construir novas sinapses entre os neurônios no cór-
mina estimula a mTOR evitando que o glutamato, um neurotransmissor importante, encoste em seu receptor, chamado receptor NMDA (N-metil-D-aspartato); portanto, encontrar um medicamento que bloqueie aquele sítio é uma área ativa na pesquisa. Outro medicamento que age rapidamente e já esteve em uso em outros
CI
NH
O
Cetamina
Tópicos Modernos
propósitos – doença do movimento – é a escopolamina.
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nas vir com um medicamento que se ligará a um receptor. Um dos métodos é aumentar a neurogênese no hipocampo, uma vez que se sabe que um dos problemas vistos em pacientes depressivos é a atroa dos neurônios no cérebro. Sabe-se também que os SS-RIs e SNRIs em uso agem não apenas afetando os níveis de serotonina, mas também aumentando o crescimento neuronal. A companhia Neuralstem está fazendo testes na fase 1 com uma forma de comprimido de um medica-
em curso para ver se uma abordagem similar funcionará em macacos. Se funcionar, então os cientistas acreditam que a terapia do gene para os humanos será uma possibilidade. Existem muitas notícias boas e ruins com relação à felicidade na sociedade moderna. A boa notícia é que a maioria das pessoas tem uma qualidade de vida que lhes permite focar em coisas mais interessantes, como prazer e felicidade. A notícia ruim é que muitas pessoas sofrem
sistema diferente. Ela bloqueia a ligação do neurotransmissor acetilcolina a um tipo de transmissor chamado receptor muscarínico. Em estudos com mais de 40 sujeitos, mostrou-se que injeções de escopolamina aliviam os sintomas da depressão em três dias, com alguns pacientes relatando se sentir melhor no dia seguinte. Entretanto, um bloco de impedimento é a necessidade de injeções intravenosas. Isto a faz não tão prática quanto um comprimido ou um adesivo de pele, mas estas duas técnicas não se mostraram tão ecientes. Apesar do problema de quão lentamente muitos antidepressivos atuam, os pesquisadores têm também tentado
mento chamado NSI-189, que tem se mostrado promissor no crescimento do hipocampo. A atroa neuronal leva anos para ocorrer, e este comprimido não agirá rapidamente, mas a companhia espera que seus efeitos sejam duradouros. Fechando o círculo, os estudos mais singulares estão de novo focando na serotonina, mas com uma abordagem completamente diferente. Eles objetivam aumentar os receptores de serotonina (Capítulo 13). O gene sendo examinado é o p11 , que codifica uma proteína instrumental no movimento dos receptores de serotonina para a superfície celular. Paul Greengard e seus colegas do Instituto
para encontrá-la, o que é motivo de tantas pesquisas em andamento para ajudar as pessoas a se sentirem mais felizes, ou no mínimo menos deprimidas. Este artigo apenas dá uma pincelada, mas está claro que o cérebro é um órgão muito complicado, como é a química associada a ele. É quase irônico que um ramo da ciência que está buscando maneiras de estender a vida encontre sem querer uma enzima, mTOR, cuja inibição relaciona-se com vidas mais longas, enquanto outro ramo, buscando a cura da depressão, descobre que a ativação da mesma enzima relaciona-se com a redução da depressão. Podemos apenas esperar que não sejamos deixados com uma
enfrentar a questão de os medicamentos conhecidos não funcionarem para todas as pessoas. Algumas companhias estão mirando outros sistemas receptores, como os nicotínicos, assim chamados porque respondem à nicotina bem como a seu substrato natural, a acetilcolina. Entretanto, alguns dos trabalhos mais excitantes envolvem abordagens diferentes ao invés de ape-
Rockefeller mostraram que, tanto em roedores quanto em humanos, os indivíduos com comportamentos similares à depressão mostram também baixos níveis de p11. Usando um transportador de adenovírus, Grengard coloca o p11 diretamente no núcleo acumben de camundongos deficientes e seus comportamentos depressivos diminuem. Estudos atuais estão
escolha entre vida longa ou felicidade.
H3C
N
O OH O
O
Escopolamina
A escopolamina influencia um
Bibliografia Comentada Marantz Henig, R. Lifting the Black Cloud. Scientific American p. 66-71 (março de 2012). Kringelbach, M. L. e Berridge, K. C. The Joyful Mind . Scientific American p. 40-45 (agosto de 2012).
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Bioquímica
Humanos versus Gripe No outono de 2009, uma frase comum ouvida nos pátios das escolas era “Ele pegou a suína,” referindo-se à eclosão da gripe suína que começou na pri-
molde de RNA de ta única com um envoltório proteico que se projeta através de um envelope de bicamada lipídica. A Figura 1 mostra as
raminidase (NA), uma enzima que catalisa a hidrólise de uma ligação de ácido siálico com a galactose ou a galactosamina (veja o Capítulo 16).
mavera ano. livro Certamente, qualquerdaquele leitor deste já teve uma gripe, doença que a maioria das pessoas considera um fato incômodo da vida, algumas vezes anualmente. Existem epidemias frequentes de gripe ao redor do mundo, com algumas sendo muito sérias. Em 1918, houve uma pandemia mundial de gripe que matou mais de 50 milhões de pessoas, e foi uma das piores epidemias da história, superando a peste negra na Idade Média. Para uma comparação existem hoje apenas 40 milhões de pessoas vivendo com o vírus HIV, e levou 30 anos para chegar a este ponto. O vírus da gripe tem estado entre nós por centenas de anos, e nunca foi completamente controlado pela me-
características estruturais do vírus inuenza. Existem três tipos principais, designados A, B e C, dependendo das diferenças nas proteínas do nucleocapsídeo. Os vírus influenza causam infecções do trato respiratório superior, provocando febre, dores musculares, dores de cabeça, congestão nasal, dor de garganta e tosse. Um dos maiores problemas é que as pessoas afetadas pela gripe frequenteme nte têm infecções secundárias, incluindo pneumonia, o que torna a gripe potencialmente letal. Vamos abordar o vírus da gripe A porque, dos três, ele é responsável pela maioria das doenças humanas.
Acredita-se quecélulas a HA alvo. ajudeAcreditao vírus a reconhecer as -se também que a NA ajude o vírus a atravessar as membranas mucosas. São conhecidos 16 subtipos de HA (denominados H1 – H16) e 9 subtipos de neuraminidase (designados N1 – N9) foram catalogados. H1, H2, H3, N1 e N2 aparecem na maioria das viroses que afetam os humanos. Os vírus da influenza A individual são nomeados fornecendo os subtipos de HA e NA – por exemplo, H1N1 ou H3N2. O vírus que provoca a gripe aviária que tem estado no noticiário por vários anos é o H5N1. A presença da proteína H5 afeta humanos, mas até agora em uma extensão
dicina moderna.
As características mais proeminentes do envoltório viral são duas proteínas espiculares. Uma é chamada hemaglutinina (HA), que recebe este nome porque faz os eritrócitos se aglutinarem. A segunda é a neu-
menor que os outros subtipos HA. Ela, obviamente, afeta pássaros, com mais fatalidade entre frangos, patos e gansos. Quando a gripe aviária apareceu pela primeira vez, dizimou bandos de aves ao redor do globo.
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O que é um Vírus de Gripe? Uma única partícula do vírus inuenza (um virion) é um genoma ta
Hemaglutinina (HA) Neuraminidase (NA) Proteina da matriz (M1) Bicamada lipídica Nucleoproteínas (NP, PA, PB1, PB2)
RNA
50 nm
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Como os Vários Vírus da Gripe Afetam os Humanos? A natureza do subtipo de vírus determina seu efeito nos humanos. Os fatores relevantes para os epidemiologistas são a transmissibilidade e a mortalidade. Por exemplo, houve apenas algumas centenas de casos de pessoas contraindo a gripe aviária; portanto, sua transmissibilidade é baixa. Entretanto, dos que se sabe terem contraído o vírus, mais de 60% morreram; logo ainda é uma grande preocupação. Em contraste, a febre suína de 2009 foi a variedade H1N1, que é mais transmissível, e que levou à primeira pandemia de ,
■
FIGURA Diagrama seccional do virion da influenza. As espículas HA e NA estão inseridas em uma bicamada lipídica formando o envoltório externo do virion. Uma proteína da matriz, M1, reveste o interior dessa membrana. O núcleo do vírion contém os oito segmentos de fita simples que constituem o seu genoma em um complexo com as proteínas NP, PA, PB1 e PB2 para formar estruturas helicoidais chamadas neocapsídeos. (Reproduzido com permissão do Estado de Bunji Tagawa.)
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Tópicos Modernos
gripe em 40 anos. No entanto, ela é muito menos mortal para aqueles que a contraíram. Em muitos casos, seus sintomas não são piores que aqueles de muitas gripes comuns, e houve poucas fatalidades. Um dos lhos do autor frequenta uma pequena escola que teve 32 casos de gripe suína em um único dia, apenas dois a menos que o necessário para fechar a escola por uma semana. Embora não se sentindo particularmente bem um dia, todos os alunos foram enviados
transmissível. A Figura 2 mostra como a mortal cepa aviária poderia mudar potencialmente. Em uma possibilidade, o vírus (o vírus aviário H5N1 neste exemplo) sofre mutação e muda suas proteínas superciais, tornando-o mais capaz de se ligar a células humanas e infectá-las (rota branca). A outra possibilidade é que dois vírus possam infectar a mesma célula (H5N1 e H3N2 neste exemplo, rota amarela). Os RNAs virais poderiam se misturar e
2009. Esta evidência ajudou a levar a uma identificação mais rápida do tipo de gripe. Embora separadas por quase 100 anos, a gripe de 1918 e a gripe suína de 2009 eram tão similares, que camundongos que receberam a vacina contra o vírus de 1918 produziram anticorpos que neutralizaram completamente a versão de 2009. Em 1997, uma gripe que era em grande parte de srcem humana foi descoberta em porcos na América do Norte. Um ano mais tarde, pesquisa-
à escola mesmo assim, um fato, segundo o autor, que não será esquecido, já que custou uma semana sem escola. Um dos alunos foi mais tarde diagnosticado com gripe suína.
produzir genes reordenados, levando a diferentes capacidades em uma nova cepa mutada. Os genes reordenados podem aparecer a qualquer momento, uma vez que um hospedeiro é infectado por múltiplas cepas de vírus. Isto pode acontecer entre humanos, aves e porcos, por exemplo, considerando que todos os três tipos de animais estão frequentemente juntos, como em uma fazenda que tem frangos e porcos. A mortal gripe de 1918 também foi uma gripe suína H1N1. Indícios de que a gripe de 2009 não era completamente nova vieram do fato de que pessoas jovens foram atingidas muito mais duramente que pessoas idosas,
dores descobriram outra versão que combinava genes de fontes humanas, aviárias e suínas, uma reordenação tripla. A gripe suína de 2009 também foi uma reordenação tripla, que combinou peças de três fontes diferentes. Tais combinações demonstram que os vírus da gripe não cam contidos em uma única espécie por muito tempo. Esta é a principal razão pela qual os cientistas se preocupam com qual será a próxima mistura de genes de gripe. É também por isso que a CDC e a OMS levam cada caso de gripe seriamente. Uma combinação da mortalidade da gripe aviária com a transmissibilidade da gripe suína de 2009 poderia levar a uma nova peste.
a passo que estas são normalmente os alvos de novas viroses de gripe. Isto indicou que pessoas que estavam vivas por muitas décadas tinham alguma imunidade à gripe suína de
Felizmente, não aconteceu até agora.
Por Que Não Podemos Eliminar a Gripe? Embora a gripe esteja entre nós por milênios, ela está sempre mudando, e é esta possibilidade de tantas variações que preocupa as agências responsáveis pela saúde pública, como o Centro de Controle e Prevenção de Doenças (CDC) e a Organização Mundial de Saúde (OMS). Ocorrem frequentes mutações com os vírus, tornando difícil montar uma boa defesa. Uma das grandes preocupações é que uma cepa com alta taxa de mortalidade poderia sofrer mutação para uma que também seja muito
Vírus H5N1 mutante
Vírus influenza H5N1
Mutação genética Célula hospedeira c d
Vírus influenza H3N2
a
Genes reordenados
b
RNA viral ■
Ácido Núcleo siálico Cepa pandêmica altamente contagiosa
FIGURA Duas possíveis estratégias para vírus mutantes. A cepa H5N1 pode sofrer uma mutação que a faria se ligar mais facilmente à célula e, por consequência ser mais efetiva (rota branca). Tanto a cepa H5N1 quanto a H3N2 podem se ligar à mesma célula e então misturar seus RNAs para formar genes reordenados (rota amarela). (Alice. Chem, 2005 para Scientific American)
Muita Informação? Na última década, o mundo assistiu a três famosas eclosões de gripe ocupando os noticiários: SARS, gripe aviária e gripe suína. Os pesquisadores aprenderam muito sobre saúde pública e prontidão epidêmica a partir dessas eclosões. Muitos concordaram que demos sorte de a altamente transmissível gripe suína não ser tão letal. Também concordaram que tivemos sorte de a gripe aviária (H5N1) não ser muito transmissível. Na realidade, não parecia passar de humano para humano muito bem, e certamente não através de quaisquer mecanismos de transporte pelo ar. A grande questão foi, consequentemente, e se o H5N1 se tornar transportável pelo ar? Os resultados poderiam ser catastróficos uma vez que os humanos têm de pouca a nenhuma imunidade à variedade H5. ,
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Bioquímica
Muitos pesquisadores estudam a transmissibilidade de doenças usando furões, um modelo humano razoável, e algumas dessas pesquisas chamou a atenção de agências governamentais. Em 2012, um debate assolou as comunidades cientícas e governamentais em relação a quanta informação deve ser tornada pública sobre estudos de dois laboratórios diferentes que trabalhavam na pergunta “e se” sobre vírus mutantes da gripe. O trabalho foi feito no laboratório de Ron Fouchier, um virologista na Holanda e por Yoshihiro Kawaoka, um virologista que trabalha tanto em Madison, Wisconsin quanto na Universidade de Tóquio. O estudo de Fouchier usou furões em gaiolas em uma tentativa de mostrar a transmissibilidade por transporte pelo ar do vírus nativo H5N1. O vírus nativo H5N1 não passa de furão para furão através do ar. Os pesquisadores produziram três mutações no vírus H5N1, mas estas também não passaram de furão para furão. Entretanto, a passagem repetida do vírus de um furão para outro levou a mutações adicionais. Depois de 10 passagens, o vírus que sofreu mutação mostrou-se ser transmissível através do ar. Isto demonstrou que não era tão difícil para o vírus sofrer mutação para uma forma transportada pelo ar. As conclusões dos estudos de Kawaoka foram similares. Entretanto, muitos meses depois, esses resultados foram considerados os artigos mais famosos que nunca foram publicados. Em 2011 a U. S. National Science Advisory Board for Biosecurity (NSABB) recomendou que os resultados desses dois artigos não fossem publicados na for ma completa. A comissão sentiu que a metodologia completa daria aos preten,
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sos as informações que terroristas necessitavam para realizardeo que todo mundo temia. Entretanto, após uma seção entre entendidos no assunto da OMS discordar das recomendaçõe s, a NSABB revisou uma versão modificada dos artigos e mudou sua posição, permitindo sua publicação.
Vacinas da Gripe Além de monitorar as estações anuais de gripe e esperar que novas cepas mortais não se desenvolvam, as agências governamentais também se preocupam em ter estoque suficiente de vacinas necessárias para proteger as pessoas contra a gripe. Muitas pessoas tomam injeções anuais contra a gripe e existe uma reserva de vacinas da gripe padrão. Infelizmente, não existe vacina nem aproximadamente su ficiente para cobrir todos, especialmente se surgir uma nova e mais virulenta cepa. A gripe suína de 2009 foi outro aviso deste problema porque o espalhamento da doença teve seu pico muito antes que pudessem ser produzidas vacinas suficientes. Uma das razões é que poucas companhias estão dispostas a fabricar mais vacinas devido ao temor de litígio. Em meados da década de 1970 havia de 40 a 50 companhias no mundo fabricando vacinas contra gripe, mas hoje existem apenas algumas poucas. Embora tivesse havido uma epidemia, uma pandemia nunca se materializou, e as pessoas processaram as companhias por causa dos efeitos colaterais das vacinas. Atualmente, os governos comissionam a produção de vacinas da gripe e assumem os riscos de litígio. Embora muito da resposta à epidemia de 1976 tenha sido vista como um desastre, ao mesmo tempo o que se aprendeu sobre o vírus ajudou a levar a respostas muito mais rápidas às cepas modernas de gripe, como as gripes aviária e suína de 2009. Da mesma forma que com qualquer vírus que sofre mutação rapidamente, produzir vacinas é sempre um jogo desafiante de gato e rato. A cada ano versões ligeiramente diferentes são descobertas, e os laboratórios tentam combinar a vacina a suas melhores suposições do que a “gripe do dia” será. Muitas pessoas fazem promessas de tomar suas injeções anuais contra a gripe. Outras nem pensariam em tomar. Uma vez que muitos dos sintomas da gripe que sofremos são parcialmente de,
vido à resposta de nosso organismo à vacina, as pessoas acham que contraíram a gripe da vacina, embora o que realmente sentem seja apenas suas imunidades em ação.
Os Anticorpos Monoclonais Assumem a Gripe Além de gerar vacinas contra o vírus da gripe, os cientistas tentam também gerar anticorpos monoclonais que combaterão a doença. Os anticorpos monoclonais são caros para produzir e em muitos casos a tentativa é frustrada por causa da natureza do vírus em mudar rapidamente. Consequentemente, os pesquisadores têm procurado um anticorpo que atacará parte do vírus que não muda. No início de 2009 duas equipes indepen dentes relataram que haviam criado anticorpos que reagiriam com uma parte da proteína hemaglutina (HA) do vírus da gripe. A boa notícia foi que a parte da proteína hemaglutina ligada pelo anticorpo é relativamente constante e não muda entre cepas. As equipes identificaram 10 anti,
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diferentes que reconheceram ocorpos subtipo H5 encontrado na gripe aviária e descobriram que também bloqueariam oito dos quinze tipos de HA. Elas testaram os anticorpos em camundongos tanto antes quanto depois de serem administrados com quantidades letais de gripe aviária. A maioria dos roedores sobreviveu, indicando que aqueles anticorpos funcionariam como prevenção ou cura. A comunidade médica está animada com a perspectiva de somar outra arma à eterna luta contra a gripe. Tais anticorpos podem ser usados para fornecer uma imunidade passiva imediata a pessoas que não respondem bem às vacinas, como as idosas ou aquelas cujos sistemas imunológicos estão comprometidos, e também permitirão uma contramedida forte à pandemia iminente. O lado negativo de descobertas novas como esta é o custo. Não existem vacinas baratas o suciente para atender às necessidades ao redor do mundo, e muitos
Tópicos Modernos
países economicamente desfavorecidos têm problemas em obtê-las, especialmente um anticorpo monoclonal caro. Mesmo assim, muitos percebem que os governos que podem comprá-los seriam espertos ao estocar alguns destes novos anticorpos como uma proteção contra a próxima pandemia.
Bibliografia Cohen, J. What´s Old is New: 1918 Virus Matches 2009 H1N1 Strain. Science 327 , p. 1563-64 (2010).
––. Does Forewarned = Forearmed with LabMade Avian Influenza Strains?. Science 335, p. 785-87 (2012). Enserink, M. Public at Last, H5N1 Study Offers Insight into Virus's Possible Path to Pandemic. Science 336, p. 1494-95 (2012). ––. e Cohen J. One H5N1 Paper Finally Goes to Press: Second Greenlighted. Science 336, p. 529-30 (2012). Gibbs, W. W. e Soares, C. Preparing for a Pandemic. Scientific American p. 45-52 (novembro de 2005). Soares C. Eyes on the Swine. Scientific American p. 15-16 (julho de 2009). Vijaykrishna, D. Poon, L. M. Zhu, H. C., Ma, S. K., Li, O. T. W., Cheung, C. L., Smith, G. J. D., Peiris, J. S. M. e Guan, Y. Reas-
xxxix
sortment of Pandemic H1N1/2009 Infleunza A Virus in Swine. Science 328 , p. 1529 (2010). Xu, R., Ekiert, D. C. Krause, J. C., Hai, R., Crowe, J. E. e Wilson, I. A. Structural Basis of Preexisting Immunity to the 2009 H1N1 Pandemic Influenza Virus. Science 328 , p. 357-60 (2010).
xl
Bioquímica
Malária Qualquer um que vive em um clima tropical está ciente da malária e dos problemas que esta doença pode causar. Centenas de milhares de pes-
afetadas, bem como para seus visitantes, é o parasita específico que provoca a malária, do gênero Plasmodium (um protista), que é predo-
bre e calafrios recorrentes, sintomas iniciais da malária. Alguns metazoítos nas hemácias desenvolvem-se em células germinais haploides que
soas sãoano, afetadas ao redor do mundo a cada e aproximadamente um milhão de pessoas morrem por causa dela. Não é surpresa que este tópico seja de grande interesse, especialmente em países em desenvolvimento. Uma possível abordagem para a situação é aprender os fatos básicos sobre a malária, com uma visão para melhorar tanto a prevenção quanto o tratamento. O Centro de Controle e Prevenção de Doenças (CDC) mantém um site na internet sobre a malária (www.cdc.gov/MALARIA), com links para informações específicas sobre vários aspectos da doença. Uma característica importante é um mapa interativo com atualizações nas
falciparum minante ali. que O Plamodium é a espécie provoca as infecções mais severas, e a maioria da pesquisa em malária tem focado este parasita. O parasita Plasmodium ataca o fígado de humanos infectados. A infecção surge da picada da fêmea do mosquito Anophel es , o transmissor usual, com a transmissão do parasita a partir da saliva do mosquito para a corrente sanguínea do humano. O sangue transporta o parasita para o fígado, onde se reproduz. O parasita está em um estágio haploide do seu ciclo de vida, chamado esporozoíto; logo ele se reproduz assexualmente, dando srcem a muitos metazoítos. Estes vão para a corrente sanguínea
são liberadas corrente sanguínea. Quando uma na fêmea do mosquito pica um humano infectado, ela suga seu sangue, levando junto as células germinativas. No intestino do mosquito, as células germinativas amadurecem e se fundem para formar zigotos diploides de Plasmodium . As células diploides passam por meiose no intestino do mosquito, produzindo esporozoítos. O ciclo se repete quando o mosquito pica outro humano, transmitindo a doença (Figura 2). Os mosquitos reproduzem-se livremente em água parada e sabe-se, há séculos, que áreas próximas a brejos fedorentos e sujos têm alta incidência de malária. Na
condições nos países onde a malária é endêmica (Figura 1). Uma das informações mais úteis para qualquer um que vive em áreas
e entram nas hemácias, onde se reproduzem ainda mais. As hemácias infectadas desintegram-se e liberam os metazoítos. O resultado são fe-
realidade, a palavra malária significa “ar ruim” em italiano. A malária não é mais endêmica no sul da Europa, em grande parte como
A t ransmi ssão da m alária ocorre em toda parte
C D C
■
A tra nsm iss ão da mal ári a ocorre em algumas partes
y m a l A t/ o ib G e ll riy C
Não se conhece a transmissão da malária
FIGURA Uma mapa do site do CDC sobre malária. A doença é comum nas áreas em vermelho e ausente nas áreas verdes. Há links específicos no site que fornecem uma atualização das informações das áreas amarelas.
O uso de mosquiteiro é um maneira simples e eficaz para prevenção do espalhamento da malária. ■
Tópicos Modernos Esporozoítos
1 Plamosdium zigostos sofrem meiose, produzindo esporozoítos haploides na parede do intestino de uma fêmea do mosquito anopheles. Os esporozoítos migram para as glândulas salivares do mosquito.
Esporozoíto
2 Quando o mosquito infectado pica um humano, ele injeta os esporozoítos no sangue, o qual o carrega para as células hepáticas.
5 Alguns merozoítos nas hemácias desenvolvem-se para células de gametas machos e fêmeas, que são liberados na corrente sanguínea. 6 Uma fêmea pica e chupa o sangue de humano infectado. As células do gameta no sangue atingem o intestino dela, amadurecem e se fudem em duas para formar os zigostos.
■
FIGURA
xli
Gametócito macho nas hemácias
3 Os esporozoítos reproduzem-se assexualmente nas células hepáticas, cada um produzindo muitos merozoítos.
4 Os merozoítos entram na corrente sanguínea, invadem as hemácias e reproduzem-se assexualmente. A quebra periódica das hemácias e a liberação de merozoítos provocam surtos de calafrios e febre.
O ciclo de vida de Plasmodium protista causador da malária. (De RUSSEL/WOLFE/
HERTZ/STARR, Biology, 1E. ©2008 Cengage Learning.)
resultado da drenagem dos brejos. Outros impedimen tos para as picadas do mosquito, como repelentes, roupas protetoras e mosquiteiro têm uma longa história de uso na luta contra a malária. A Organização Mundial da Saúde (OMS) estimula fortemente o uso de mosquiteiros saturados com repelentes para proteger as camas durante as horas da noite, quando os mosquitos estão ativos. Quanto uma doença tem um inseto como vetor, o uso de inseticidas imediatamente vem à mente como uma abordagem para controlar aquela doença. Durante a Segunda Guerra Mundial e nos anos imediatamente após, o DDT (diclo-
Cl Cl
Cl
Cl
Cl DDT
rodifenilcloroetano) tornou-se de amplo uso para matar os mosquitos transmissores da malária, bem como os vetores insetos de outras doenças. Este composto é insolúvel em água por causa de sua natureza apolar. Como mostra a estrutura, suas ligações carbono-hidrogênio e carbono-cloro são consideradas essencialmente apolares por causa de suas pequenas diferenças de eletronegatividade, 0,4 e 0,5, respectivamente. Como resultado, o DDT é altamente solúvel em gorduras, incluindo o tecido adiposo de animais. Um dos problemas com o uso do DDT é que ele tende a se acumular nos animais, com concentrações crescentes em animais superiores na cadeia alimentar. O DDT pode aparecer em áreas distantes do local da aplicação srcinal porque é transportado pelo vento como um vapor. O acúmulo em carnívoros pode ter drásticas consequências no caso de predadores como as águias americanas e as pescadoras. Quando esses pássaros metabolizam o DDT, um produto de degradação interfere na deposição de cálcio nas cascas de
seus ovos. As cascas quebram com o peso do pássaro adulto em seus ninhos, reduzindo drasticamente o número de pássaros jovens que realmente nascem. O DDT está proibido nos Estados Unidos desde a década de 1970, mas existem traços amplamente distribuídos em todas as espécies, incluindo na gordura humana e no leite materno. O banimento do DDT não é mundial, e algumas aplicações restritas ocorrem nos Estados Unidos para proteger a saúde pública. Calorosa controvérsia envolve essas restrições, com um grupo opinando que o não uso de DDT levou ao espalhamento de doenças como a malária e provocou altas taxas de mortalidade. A discussão tende a não incluir um ponto importante, ou seja, o da resistência adquirida. Em uma determinada população de insetos, sempre haverá alguns que são resistentes ao DDT. Estes são os que sobreviverão para se reproduzir. O mesmo princípio leva ao aumento de bactérias patogênicas resistentes a antibiótico, com a constante necessidade de desenvolver novos
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Bioquímica
antibióticos. A eficácia do DDT no controle da malária está certamente reduzida. Além do controle do mosquito ao lidar com a malária, vários medicamentos têm sido largamente utilizados para a prevenção e tratamento desta doença. Um dos mais conhecidos é a quinina. Este composto ocorre na natureza, na casca da árvore quina. Os Quíchuas, indígenas habitantes do Peru e Bolívia, descobriram as propriedades da quinina na redução
temia-se que ela pudesse ser muito tóxica para ser usada como medicamento. Testes adicionais sob a pressão do período de guerra mostraram que ela tinha propriedades antimaláricas úteis e que poderia substituir a quinina, que estava em falta. A cloroquinina mata o parasita Plasmodium interferindo com a degradação da hemoglobina. Quando a hemoglobina do sangue de humanos infectados é degradada em produtos de quebra proteica e heme, este não
da febre e da inflamação. Os missionários espanhóis no Peru adotaram o uso de quinina e a introduziram na Europa no século XVII, onde foi bem-sucedida no tratamento da malária. A casca da quina tornou-se um produto valioso de exportação do Peru, mas não era suciente para a demanda de quinina. As árvores de quina foram subsequentemente cultivadas nas Filipinas e onde agora é conhecido como Indonésia, que se tornou o maior fornecedor mundial. Durante a Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos e seus aliados estavam sem suprimentos de quinina por causa da ocupação japonesa das áreas nas quais as árvores de quina eram cultivadas. Quí-
pode se acumular. Se o heme não é removido por cristalização, é tóxico. A cloroquinina interfere com o processo de cristalização, eventualmente matando o Plasmodium . O modo de ação da quinina pode ser similar, mas este ponto não está definitivamente estabelecido.
micos orgânicos tiveram sucesso na síntese de quinina no laboratório em 1944, mas a extração da casca ainda permanece a maneira mais eficiente para obter quinina. Por volta da década de 1940, a busca era por outros agentes antimaláricos ecazes.
N HN
Cl
N
Cloroquinina
Outro antimalárico de srcem vegetal tem provado ser altamente eficaz (veja Conexões Bioquímicas 22.2). Este composto, artemisinina, pode ser extraído da Artemis ia an-
nua , planta usada há muito tempo
na medicina popular chinesa. A artemisinina está em falta porque uma planta normal contém apenas 1% de artemisinina. Ela é difícil de sintetizar no laboratório. Como a quinina, é mais facilmente obtida extraindo-a da planta que por síntese em laboratório. Esta situação pode estar próxima de mudar. Dois métodos em estágios de desenvolvimento focam a conversão de um precursor mais facilmente disponível, o ácido artemisínico, na artemisinina (Figura 3). Como mostrado na Figura 3, ambos os processos necessitam da introdução de um grupo peróxido com dois oxigênios ligados entre si no precursor. A reação precisa de energia, que é fornecida na forma de luz (uma reação fotoquímica). O processo em grande escala, que é o estágio para o qual a fábrica está sendo construída a m de realizar a síntese, usa ácido artemisínico de células de levedura geneticamente projetadas. O processo de fluxo, que até então só tem sido feito em pequena escala, usa resíduo da extração da artemisinina da Artemisia. A luz usada para disparar a reação a mistura de pode reaçãopenetrar em umamelhor célula de uxo do que é possível com um grande recipiente de grande escala. Será interessante ver qual método eventualmente se provará mais eficaz. Os
OMe
Células de levedura
N
H
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CH3
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CH3 H
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Química de larga escala
N
o? çã tra o? Ex sídu e R
Quinina
O próximo antimalárico a se tornar de uso comum foi a cloroquinina. Semelhante à quinina, a cloroquinina tem um sistema de anel aromático quinolina contendo nitrogênio. Quando a cloroquinina foi sintetizada pela primeira vez na década de 1930,
H
O O
H3C O H
O
H O CH3 O Artemisinina
Ácido artemisínico OH Artemisia annua Química de fluxo
■
FIGURA Duas maneiras possíveis de converter ácido artemisínico em artemisinina. O processo em grande escala usa células de levedura geneticamente modificadas para produzir o ácido artemisínico para a conversão em artemisinina. O processo de fluxo usa resíduos da extração de artemisina da planta; o resíduo contém mais ácido artemisínico que a artemisinina srcinalmente encontrada na planta.
Tópicos Modernos
esforços para produzir mais ar temisinina poderia eventualmente salvar milhões de vidas a cada ano. Os avanços nas ciências biológicas têm fornecido ferramentas eficazes na obtenção de informações sobre o genoma e o proteoma do mosquito vetor e no uso desta informação para lidar com a malária. O Anopheles gambiae é a espécie vetor mais comum. Em 2002, sua sequência de genoma foi determinada. Uma vez que a sequência de nucleotídeos foi estabelecida, o objetivo é determinar a sequência para os genes e famílias de genes. Foi possível usar o genoma completo da mosca de fruta Drosophila melanogaster para comparação, porque já estava disponível. Drosophila melanogaster , obviamente, é a espécie que tem sido usada para estabelecer muitos dos princípios fundamentais da genética eucariótica. Mais especicamente, a informação sobre o proteoma de ambas as espécies estava disponível para comparação. Uma analogia frequentemente usada é que a sequência de nucleotídeos do DNA é o roteiro de uma peça, enquanto o proteoma (o conjunto completo de proteínas expresso por um genoma em determinado momento) é a produção real da peça no palco. A comparação do proteoma entre Anopheles e Drosophila é particularmente valiosa na determinação de quais genes têm papel mais proeminente no Anopheles para srcinar mais proteínas. A questão “Quais genes estão envolvidos na alimentação por sangue?” é de particular interesse. Ambas as espécies têm inúmeras serina proteases, que são efetores de imunidade inata, e processos similares que exigem hidrólises proteicas, mas o Anopheles tem aproximadamente 100 mais desta classe de proteína que a Drosophila . Inúmeras proteínas são afetadas da mesma forma. Uma maneira de usar esta informação é sele-
100% 80% 60% 40% 20%
Anopheles All
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FIGURA
IM
Drosophila All
IM
Comparação das proteínas
imunológicas no Anopheles e na totais. Drosophila e com os proteomas A barra à esquerda em cada par (All) é o proteoma total, e aquelas à direita em cada par representam as proteínas imunológicas (IM). As seções verdes representam as proteínas específicas da espécie (verde-escuro) ou pouca homologia com as outras espécies (verde--claro). As azuis representam proteínas que são similares em números de espécies.
cionar as vias metabólicas conectadas com a alimentação por sangue e mirá-las com agentes adequados. Os receptores que permitem que os mosquitos selecionem vítimas humanas por odores representam outro alvo possível, uma oportunidade melhorar os erepelentes de insetos.de Outra maneira ainda é encontrar formas de inibir o desenvolvimento do Plasmodium no intestino do mosquito. O ponto aqui é usar o sistema imunológico do mosquito para inibir o desenvolvimento do parasita. Inúmeras proteínas envolvidas na resposta imunológica no Anopheles são especícas por espécie. A Figura 4 mostra uma comparação das proteínas do Anopheles com proteínas similares na Drosophila , expressas como porcentagens. A barra à esquerda em cada par mostra a relação genética do proteoma total em espécies relacionadas. As seções azuis mostram a correspondência 1:1 na estrutura, e
xliii
as amarelas, as relações próximas. As seções verdes mostram as espécies especícas e aquelas com pouca homologia em espécies relacionadas. Ano pheles e Drosophilas são similares em relação ao proteoma total. A barra à direita em cada par mostra a mesma informação para proteínas de imunidade. Está claro que o Anopheles tem alta proporção de proteínas especícas da espécie relacionadas à resposta imunológica, que apresenta alvos possíveis para intervenção. Uma doença tão amplamente espalhada como a malária é difícil de combater, mas o fato de ter tantos aspectos diferentes apresenta um número maior de alvos para os pesquisadores abordarem. A malária não é o flagelo que foi no passado, mas, mais progresso é um importante objetivo no cuidado da saúde mundial. Será interessante ver qual progresso ocorrerá nos próximos anos.
Bibliografia Comentada Cristophides, G. e mais de 30 coautores. Imunity-Related Genes and Gene Families in anopheles gambiae. Science 298 , p. 159-65 (2002). [Análise detalhada concentrada no sistema imunológico.] Holt, R. e mais de 120 coautores. The Genome Sequence of the Malaria Mosquito Anopheles gambiae . Science 29 8 , p. 129-49 (2002). [Análise do genoma com uma comparação com o da Drosophila melanogaster.] Kupferschmidt, K. Can New Chemistry Make a Malaria Drug Plentiful and Cheap? Science 336, p. 798-99 (2022). [Dois processos no estágio de desenvolvimento poderiam aumentar enormemente o estoque de um dos medicamentos antimaláricos mais potentes que se conhece.] Zdobnov, E. e 35 coautores. Comparative Genome and Proteome Analysis of Anapholes gambiae and Drosophila melanogaster. Science 298, p. 149-59 (2002). [Comparação da homologia proteica nas duas espécies.]
xliv
Bioquímica
Envelhecimento – Procurando a Fonte Bioquímica da Juventude Logo após a srcem da humanidade, as pessoas descobriram que se vivessem o suficiente, sofreriam deterioração gradual na saúde à medida que envelhecessem. Imediatamente depois, perceberam que isto não as agradava. A partir daquele momento, os humanos têm estado obcecados em encontrar formas de voltar o relógio, ou no mínimo impedi-lo de avançar. Neste livro vimos muitas referências a aplicações práticas da bioquímica que podem levar a uma maior qualidade de vida e talvez até a uma vida mais longa. Muitas delas têm sido intuitivas, tais como manutenção de um estilo de vida saudável através da alimentação, exercício físico e evitar fatores negativos, como o hábito de fumar. Entretanto, nunca estamos satisfeitos. Esta é a era da gratificação instantânea – a era do Viagra, Rogaine, cremes de testosterona e outros medicamentos usados para permitir aos homens se sentir mais jovens. Qualquer um investiria em uma companhia que pudesse desenvolver uma pílula verdadeiramente contra o envelhecimento – uma fonte da juventude em garrafa. Embora as causas exatas do envelhecimento ainda não estejam claras, acreditamos que ela seja o desgaste natural da habilidade do corpo em se manter e reparar os danos. A lógica dita que a seleção natural não pode ajudar nossa longevidade, porque a diferença entre viver 70 e 130 anos acontece depois dos anos reprodutivos; portanto não existe pressão seletiva para a longevidade. Em outras palavras, se existe um gene para a longevidade, ele pode apenas ser seletivamente passado à frente se afetar o sucesso reprodutivo. Muitos cientistas criam a hipótese de que as mudanças evolucionárias levam ,
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as espécies a preferir desenvolvimento e procriação precoces em vez da manutenção de um corpo em idade avançada. Uma vez que o organismo tenha reproduzido, seus genes são basicamente imortais, embora o recipiente que os carrega não seja. Acredita-se que o envelhecimento seja dirigido pelo acúmulo ao longo da vida de danos celulares e moleculares não reparados.
Quando Pensamos e Estudamos o Envelhecimento, Quais São as Verdadeiras Preocupações?
100% o lh a b a r t e o d c i e ís d f a d i c a p a C
Morte 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Idade Estilo de vida ativo/saudável por toda a vida Implementação de estilo de vida ativo/ saudável mais tarde na vida Estilo de vida sedentário não saudável
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FIGURA Os efeitos do exercício na vida útil e na qualidade de vida. (De Hoeger/Hoeger, Fitness and Wellness, 10 ed. © 2009 Cengage Learning.)
Existem éa vida útil tópicos máxima,principais. ou seja, o Um tempo máximo que qualquer membro de uma espécie viveu. Para os humanos, ela é de aproximadamente 120 anos. Outro é a expectativa média de vida. Este número tem aumentado drasticamente para os humanos nos últimos cem anos, embora atualmente esteja crescendo muito lentamente. A expectativa média de vida cresceu em mais de 30 anos desde o início dos anos 1900, principalmente por causa da medicina moderna. As doenças que matavam pessoas cedo e complicações na infância levavam a muitas mortes ainda na juventude, que traziam
vida crescer ou não, as uma pessoas hoje estão experimentando qualidade de vida muito maior à medida que envelhecem. Quando as pessoas dizem, “70 é um novo 40”, querem dizer que agora vemos os septuagenários como sendo tão ativos hoje quanto eram há 40 anos décadas. O objetivo da gerontologia é melhorar a saúde próximo ao fim da vida, em vez de fazer que as pessoas vivam 300 anos. Os médicos buscam melhorar “a extensão da saúde”, o número de anos livres de doenças crônicas e outros tópicos relacionados à idade.
para baixo a expectativa média é de vida. Portanto, inicialmente quanto tempo você viveria se nada o matasse. Segundo significa quanto tempo é realmente provável que você viva conhecendo-se todos os fatores ambientais. Uma terceira consideração é a qualidade de vida. Independente de a expectativa de
Exercício Físico e a Idade
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Não há dúvidas de que levar um estilo de vida saudável pode estender a vida de uma pessoa bem como tornar os anos disponíveis mais prazerosos e produtivos. O preparo físico e a alimentação podem levar uma pessoa a evitar muitas das doenças às quais ,
Tópicos Modernos
xlv
os idosos normalmente sucumbem, como doença cardíaca, infarto e algumas formas de câncer. Estar fisicamente em forma pode retardar o declínio geral que sofremos à medida que envelhecemos. Quanto mais cedo começar os exercícios físicos melhor. A Figura 1 mostra como os diferentes tipos de níveis de preparo físico estão relacionados com a deterioração com o envelhecimento. A Figura 1 mostra claramente que quanto mais cedo os estilos de vida
ingestão calórica restrita em 30% em relação a níveis normais mostrou aumentar a vida útil em 30% ou mais. Esta técnica ainda é o único método absolutamente provado de prolongar a vida útil, além de não fumar e evitar os comportamentos perigosos mais óbvios. Além do prolongamento da vida útil, a RC leva à maior qualidade de vida e previne muitas doenças, como câncer, diabetes, inflamação e até doenças neurodegenerativas. Muitos mecanismos para este aumento
no metabolismo do organismo, especialmente as vias de sinalização de insulina. Na levedura e nos nematelmintos, as manipulações genéticas que dobraram o número de genes SIR2 aumentaram a vida útil em 50%! O produto proteico da versão nos mamíferos do gene SIR2 é uma proteína chamada SIRT1. É uma desacetilase proteica induzida por tensão que é dependente de NAD+. Ela regula a sobrevivência celular, o envelhecimento replicativo, a inflamação e o me-
sicamente ativos começam, maior a habilidade da pessoa em fazer trabalho físico e menor é o declínio desta capacidade. As pessoas que eram ativas desde os 10 anos tinham uma capacidade de trabalho global muito maior. Igualmente importante, aos 85 anos tinham a mesma capacidade que uma pessoa sedentária de 25 anos, e conseguiram passar dos 90 anos antes que o mais sério declínio para a morte comesse. Para muitas pessoas isto é a mais importante estatística. Quando as pessoas imaginam se realmente iriam querer viver por mais de 100 anos, sua resposta indubitavelmente dependeria de como esses anos se pareceriam. Como um
de longevidade têm sido sugeridos, incluindo benefícios de saúde gerais de redução de peso e melhoramentos específicos no gerenciamento de DNA devido a níveis mais baixos de compostos oxidativos que são criados como produtos laterais do metabolismo. Entretanto, 15 anos atrás pesquisadores começaram a detectar uma família de genes na levedura Saccharomyces cerevisiae que parecia estar no centro desses aumentos na longevidade devido à RC. O mais bem caracterizado destes genes é o SIR2 na levedura. SIR2 é um membro de uma família de genes chamada genes sirtuinas, e a evidência indica que são reguladores chave do mecanismo de
tabolismo via a desacetilação de histonas (Capítulo 10). A RC é um estímulo que provoca estresse biológico semelhante à escassez de alimento natural. O SIRT1 parece estar no centro de uma resposta generalizada ao estresse que instiga o organismo para a sobrevivência. Como a Figura 2 mostra, o SIRT1 nos mamíferos ocupa uma papel fundamental na longevidade através da estabilidade melhorada do DNA, reparo e defesa aumentada, sobrevivência prolongada da célula, produção e uso de energia melhorados e outras respostas coordenadas ao estresse. Os camundongos que foram projetados sem o SIRT1 não mostram
famoso comediante disse certa vez, “Eu realmente vou querer viver outros 20 anos usando fraldas geriátricas?”. Muitas pessoas, se oferecida a escolha, prefeririam viver por muito tempo e provavelmente escolheriam a curva verde na figura, na qual seriam relativamente bem saudáveis em idades mais avançadas; e então um declínio rápido, em vez de um lento e demorado que os sobrecarregasse e a suas famílias.
longevidade. Seu modo de ação é baseado nas mudanças fundamentais
o aumento de longevidade associado à RC. Além disso, dobrando-se o
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Restrição calórica e outros estresses biológicos
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Estabilidade melhorada do DNA
Resposta ao estresse coordenado Sirt1
A Longevidade Pode Ser Aumentada Quimicamente? Mas, e se pudéssemos aumentar longevidade e a qualidade de vida?a Descobrimos há mais de 70 anos que a restrição de calorias (RC) está associada com a longevidade aumentada em formas de vida tão variadas quanto leveduras e roedores. Recentemente, os primatas foram adicionados a esta lista. Em algumas espécies, a
Produção e uso de energia melhorados
Reparo e defesa melhorados
Sobrevivência melhorada da célula
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FIGURA O SIRT1 e sua suposta relação com a saúde e a longevidade. A enzima SIRT1 parece ser responsável pelos efeitos de melhoria da saúde e da longevidade por conta da restrição calórica nos mamíferos. A escassez de alimento e outros fatores de estresse disparam a atividade aumentada pelo SIRT1, que por sua vez altera as atividades nas células. Através da impulsão de determinadas moléculas sinalizadoras, como a insulina, o SIRT1 também pode coordenar a resposta ao estresse através do organismo. (Reimpresso com permissão de Scientific American, Unlocking the Secrets of Longevity Genes de David A. Sinclair e Lenny Guarente, Março de 2006.) ,
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xlvi
Bioquímica
AC
AC
p53
SIRT1
AC
AC
HSF1
NF-B
AC AC
AC
FOXO1 3 4
PGC-1
Restrição calórica; estresse oxidativo; resveratrol
p53
HSF1
NF-B
FOXO1 3 4
PGC-1
AC Envelhecimento Inflamação replicativo
Apoptose
Homesostase proteica Resistência ao estresse Metabolismo
Regulação da vida útil
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FIGURA SIRT1 é uma enzima que desacetila vários fatores de transcrição importantes que afetam o metabolismo e o envelhecimento. (Baseado em Saunders, L. R. e Verdin, E. (2009), Stress response to aging. Science 323, p. 1021. Copyright © 2015 Cengage Learning®)
número de genes SIRT 1 em um organismo confere-se-lhe impassividade à restrição calórica. Portanto, não é geralmente aceito que a restrição calórica promova a longevidade através da ativação de sirtuinas em geral e SIRT1 em particular. Obviamente, os humanos preferem não viver uma vida de privações para colher os benefícios de um prolongamento da vida útil e, portanto a busca por um estimulador de SIRT1 estava iniciada. Um dos primeiros compostos que se descobriu ser um ativador natural de sirtuinas é uma pequena molécula chamada resveratrol, um polifenol que está presente no vinho tinto e fabricado por muitas plantas quando sob estresse. Alimentar leveduras, vermes ou moscas com ,
,
resveratrol, ou colocados em uma dieta de RC prolonga suas vidas em aproximadamente 30%, mas apenas se possuísem o gene SIR2. Descobriu-se que o resveratrol aumenta em 13 vezes a atividade do SIRT1. Uma vez que uma pequena molécula pode aumentar a longevidade, nada poderia ser mais atrativo que o resveratrol, especialmente para bebedores de vinho. Níveis aumentados de SIRT1 em camundongos e ratos permitem que algumas das células dos animais sobrevivam em face de estresse que normalmente dispararia seus suicídios programados. Ele faz isso regulando várias outras proteínas celulares chave, como a P53 (Capítulo 14), NF-kB, HSF-1, FOXO1, 3 e 4 e PGC-1a (Figura 3). Além disso, o SIRT1
AMPK ?
Dieta restrita
mTOR (-)
(-)
S6K1
Longevidade
(-)
Rapamicina ■
FIGURA Base química para a longevidade. Tanto a restrição alimentar quanto a droga rapamicina inibem a proteína mTOR. Quando a mTOR é inibida, por sua vez inibe a produção de S6K1, que leva a uma longevidade aumentada. Em um mecanismo muito pouco entendido, a proteína AMPK é estimulada pelo mesmo processo. (Baseado em Kaeberlein, M. e Kapahi, P. (2009). Aging is a RSKy businees . Science 326, p. 55. Copyright © 2015 Cengage Learning®.)
é estimulado pelas razões aumentadas de NAD +/NADH, situação que surge quando a respiração é aumentada, como acontece com o jejum. Portanto, acredita-se que o SIRT1 aja tanto como um sensor de disponibilidade de nutrientes quanto como um regulador da resposta do fígado. O SIRT1 tem sido ligado à regulação de insulina e ao fator de crescimento semelhante à insulina. Como visto no Capítulo 14, sabe-se que a insulina tem importante papel no estado metabólico geral do organismo. A descoberta das sirtuinas e do efeito da RC e do resveratrol levou a pesquisa adicional sobre o envelhecimento e a longevidade. Infelizmente, nos últimos anos, vários pesquisadores, incluindo um que fez parte da pesquisa srcinal, têm tido dúvidas inveteradas devido à inabilidade em repetir partes chave dos experimentos. Alguns experimentos têm mostrado que o resveratrol não faz nada para ajudar as células da levedura a viver mais. Outros estudos mostraram que a RC estendeu a vida útil na levedura mesmo quando o gene SIR2 era apagado, o que está em conito com a teoria srcinal de que a RC está afetando o SIR2. Tem-se descoberto que várias vias de sinalização importantes têm um papel. Descobriu-se que um medicamento chamado rapamicina aumenta a vida útil nos camundongos. Seu alvo direto é uma proteína que recebeu o nome do alvo mamífero da rapamicina (mTOR). Tanto a RC quanto a rapamicina diminuem a atividade da enzima mTOR, como mostrado na Figura 4. A enzima mTOR ativa uma proteína quinase ribossômica S6 (RSK), chamada S6K1, que fosforila as proteínas ribossomais S6. As RSKs modulam a tradução do mRNA e a síntese proteica em resposta à sinalização da mTOR. Mostrou-se que a longevidade é aumentada pela inibição da enzima mTOR, que por sua vez inibe a enzima S6K1. Outra proteína quinase, AMPK, parece ser estimulada pelo processo. Embora estejamos a décadas de ver uma verdadeira pílula da longevidade, os estudos citados aqui indicam a promessa de que tal composto possa ser encontrado. Como é geral-
Tópicos Modernos
xlvii
mente o caso, deve ser muito mais fácil encontrar o tesouro quando temos certeza de que ele existe. Tanto a mTOR quanto a S6K1 podem ser modicadas por pequenas moléculas, como vimos no caso da rapamicina. Mostrou-se que a rapamicina reduz a adiposidade em camundongos, pelo menos no curto prazo. Por que não se vê a rapamicina nas prateleiras das farmácias? A razão é que há um longo caminho antes de entendermos verdadei-
por longo período, podem superar os benefícios da longevidade. Os cientistas atualmente buscam maneiras de desacoplar os efeitos positivos na longevidade dos efeitos negativos na homeostase que a rapamicina produz. A resposta pode estar nos detalhes do que a proteína mTOR faz. Descobriu-se que a mTOR está envolvida em dois complexos proteicos diferentes, como mostrado na Figura 5. A mTOR está envolvida em um
mais inteligente, mas de alguma forma não está na cabeça de algumas pessoas). Entretanto, o conhecimento obtido de estudos com sirtuinas e mTOR na última década tem sido a primeira indicação de que ainda podemos ser capazes de controlar nossa longevidade, incluindo uma vida útil máxima, ainda que em algum momento no futuro.
ramente este processo. Por um lado, os cientistas estão preocupados com os efeitos colaterais. Um efeito colateral conhecido da rapamicina quando usada por longo período é a supressão imunológica. Além disso, existe evidência de que tentativas de prolongar a vida frequentemente também têm consequências no estímulo dos cânceres. Vários estudos de linhagens de células cancerosas mostraram que têm níveis signicativamente maiores de sirtuinas que células normais. Portanto, o estímulo da longevidade de células não funciona se estimularmos o tipo errado de células. A rapamicina tem sido também envolvida em camundon-
complexo chamado mTORC1, que regula as vias envolvidas na autofagia, a tradução de mRNA e outras vias celulares. Ela está associada também com a mTORC2, que regula a sinalização de insulina. A inibição da mTOR via rapamicina inibe ambas as vias, embora com diferentes efeitos – aumentando a longevidade quando a mTORC1 é inibida e impedindo o metabolismo da glicose quando a mTORC 2 é inibida. Portanto, os cientistas continuam procurando uma pequena molécula que possa ter o mesmo efeito na mTORC1 que a rapamicina, mas que não inibirá a mTORC2. Em resumo, a expectativa de vida pode ser aumentada man-
gos e humanos com a intolerância à glicose e a resistência à insulina. Estes efeitos colaterais, se deixados
tendo-se um estilo de vida saudável e evitando atividades que possam matá-lo (o que deve ser o
Couzin-Franken, J., Aging Genes: The Sirtuin Story Unravels. Science 334, p. 1194-98 (2011). Hall, S. S. In Vivo Vitalis? Compounds Activate Life-Extending Genes. Science 301 , p. 1165 (2003). Hughes, K. J. e Kennedy, B. K. Rapamycin Paradox Resolved. Science 335 , p. 1578-79 (2012). Kaeberlein, M. e Kapahi, P. Aging is a RSKy Business. Science 326, p. 55-56 (209). Kirkwood, T. Why Can´t We Live Forever? Scientific American, p. 42-50 (setembro de 2010). Saunders, L. R. e Verdin, E. Stress Response and Aging. Science 323, p. 1021-22 (2009). Sinclair, D. A. e Guarente, L. Unlocking the Secrets of Longevity Genes. Scientific American, p. 48-50 (março de 2006). Stipp, D. A. New Path to Longevity. Scientifica American, p. 33-39 (janeiro de 2012). Topisirovic, L. e N. Sonenberg. Burn Out or Fade Away? Science 327, p. 1210-11 (2010).
,
,
,
,
Bibliografia
Rapamicina
S 6K1 (tradução) 4EBP? Autofagia?
mTOR mLST8 Raptor
mTOR mLST8 Rictor
mTORC1 PRAS40
mTORC2
SIN1
Envelhecimento Longevidade
■
FIGURA
Glicose impedida homeostase
Akt? Sinalização de insulina
Metabolismo hepático
A rapamicina afeta duas vias diferentes. Adaptado de Hughes, K. J. e Kennedy, B. K. (2012). Rapamycin paradox resolved.Science 335, 1578.
xlviii
Bioquímica
Proteínas e Ímãs: Ressonância Magnética Nuclear na Bioquímica Muitos dos leitores deste livro já se depararam com a espectroscopia ressonância magnética nuclearde(RMN) na disciplina de química orgânica. Esta técnica também está assumindo grande papel na bioquímica, rivalizando com a sua importância para a química orgânica. A RMN opera com os mesmos princípios que a imagem por ressonância magnética (MRI) no amplo uso na prática clínica. Diferentes nomes são usados para evitar confusão que possa surgir da palavra “nuclear”, que está frequentemente associada com material radioativo. Os isótopos radioativos são amplamente usados clinicamente para diagnóstico e tratamento (medicina nuclear). Entretanto, todos os átomos têm núcleos e muito mais núcleos são estáveis que aqueles que sofrem decaimento radioativo. A propriedade dos átomos que torna a RMN possível é conhecida como spin nuclear. Quando uma partícula carregada, como um núcleo atômico, gira, cria um campo magnético associado com o movimento da carga elétrica. Cada tipo de núcleo tem um número quântico de spin característico, denominado ms. (Os números quânticos são um conceito da química geral, na qual foram usados para descrever aspectos da estrutura atômica.) Alguns têm número quântico de spin 0, alguns têm valores de ½ e outros valores iguais a 1, dependendo do número de prótons e ,
A
Estado mais alto de energia
Spin – 1/2 (alinhado contra o campo aplicado)
ia g r e n E
Estado mais baixo de energia
Spin + 1/2 (alinhado com o campo aplicado)
B
Spin – 1/2 (alinhado contra o campo aplicado) ia g r e n E
Spin + 1/2 (alinhado com o campo aplicado)
Força do campo magnético
FIGURA Um campo magnético aplicado produz uma separação de energia nos estados de spin de núcleos como 1H e 13C com número quântico de spin = ½. A parte (a) mostra a separação de energia quando os spins estão alinhados com ou contra o campo magnético. A parte (b) mostra como a diferença de energia depende da força do campo magnético aplicado. (De BROWN/FOOTE, ORGANIC CHEMISTRY, 2 ed. © 1998 Cengage Learning.)
■
nêutrons que compreendem cada núcleo. O número quântico de spin determina o número de estados de spin, que por sua vez são a base para a espectroscopia de RMN. A tabela a seguir mostra
Números Quânticos de Spin e Estados Nucleares de Spin para Alguns Isótopos de Elementos Comuns Elemento
1
Número quântico de spin (ms) Número de estados de spin (2ms + 1)
1/2
1
2
3
H
2
H
12
C
14
N
15
31
0
1/2
1
1/2
1/2
1
2
3
22
C
13
N
P
o número de estados de spin para alguns núcleos importantes. Todas as formas de espectroscopia dependem das transições entre os níveis de energia nas moléculas da amostra. Neste caso, os vários níveis de energia são osdiferentes estados de spin em um campo magnético aplicado. Observe particularmente o ponto sobre o campo magnético aplicado. Na ausência de um campo magnético externo, os estados de spintêm a mesma energia. Quando o campo magnético é aplicado, os estados de spin interagem diretamente, dando srcem a energias diferentes. (Obvia-
Tópicos Modernos
mente, se só existe um estado de spin, não há separação e nem possibilidade de uma transição.) A separação de energia depende da força do campo magnético. A Figura 1 mostra como esta separação surge e como é dependente da força do campo magnético. Observe que este exemplo é para núcleos com números quânticos de spin ½. Spins iguais a 1 srcinam mais níveis de energia, com a possibilidade de mais transições e, consequentemente, de mais espectros complexos. Como resultado, os núcleos com spin ½ são usados na RMN em preferência àqueles com spin 1. Como todas as formas de espectroscopia, o RMN mede a interação de uma amostra com a radiação eletromagnética em determinada faixa de comprimento de onda, independente de ser no ultravioleta, infravermelho ou de radiofrequência (RF). Para o RMN, a região apropriada do espectro está na região de radiofrequência. Na espectroscopia óptica (ultravioleta ou infravermelho), uma amostra é colocada em um caminho entre a fonte de luz e o detector. A presença de um campo magnético no RMN literalmente adiciona outra dimensão. A fonte de radiação (umem transmissor é posicionada um ângulodedeRF) 90º em relação às direções do campo magnético, e o detector (um receptor de RF) colocado em um ângulo de 90º em relação às direções tanto do campo magnético quanto do transmissor de RF. Por mais de 50 anos, os cientistas trabalharam para melhorar a espectroscopia de RMN até o ponto em que fosse possível estudar moléculas tão grandes quanto as proteínas. Dois fatores são particularmente importantes ao tornar possível a obtenção de espectros detalhados de RMN para moléculas tão complexas quanto as proteínas. O primeiro é a invenção dos magnetos supercondutores. Agora é possível magnéticos de grandezausar maiscampos poderosa que aqueles usados 50 anos atrás. Por causa do aumento na força do campo, os picos nos espectros são mais separados e mais fáceis de analisar. O segundo fator é o aumento no poder computacional que permite que os pesquisadores processem dados brutos usando o processo matemátic o chamado transformada ,
A
B
Antes do exercício
Durante o exercício
Fosfocreatina
P
1 3
P
1 3
e d l a n i s o d a ç r o F
e d l a n i s o d a ç r o F
ATP Pi
10
■
xlix
g
b
Pi Fosfocreatina
g
b
a
a
0 –10 –20 ppm Deslocamento químico
10
0 –10 –20 ppm Deslocamento químico
FIGURA Os espectros de RMN de fósforo do músculo do antebraço de um ser vivo em tempo real. O item (a) mostra o espectro antes do exercício, e o item (b) o resultado durante o exercício. Observe que há três picos separados para três átomos de fósforo ( a, b e g) de ATP. (De GARRETT/GRISHAM, Biochemistry, 4E. ©2009 Cengage Learning.)
de Fourier. Grandes quantidades de dados podem ser processados rapidamente, permitindo maior exatidão e redução nos erros aleatórios. Muitos dos espectros de RMN obtidos hoje são espectros de RMN com transformada de Fourier (FT-RMN). A maior parte dos espectros de RMN é de RMN de hidrogênio, que dependem de transições do isótopo normal de hidrogênio. É possível usar qualquer núcleo com um spin ½ com algumas qualicações. Os isótopos de 13 C e 15N têm baixa abundância natural, mas é possível obter espectros com base neles por técnicas de enriquecimento. Além deles, o31P, com spin½ é o isótopo normal do fósforo e pode ser usado em aplicações nas quais o fósforo tem um papel. A Figura 2 mostra um exemplo de RMN de fósforo que evidencia uma ligação entre a espectroscopia de RMN e a IRM clínica. Vimos no Capítulo 15 que os compostos de fósforo são importantes na bioenergética. A Figura 2 mostra os espectros de RMN de fósforo do músculo do antebraço em um ser humano vivo (a) antes e (b) durante os exercícios. Cinco picos são visíveis em cada espectro: três para os três átomos de fósforo do ATP e um para a fosfocreatina e o íon fosfato (Pi). O termo “deslocamento químico” refere-se ao fato de que cada átomo de fósforo está em um ambiente ligeiramente diferente no campo mag,
nético por causa do padrão de ligação em cada um destes compostos. Cada uma das duas partes da gura indica a presença de ambiente eletrônico (deslocamento químico) para cada átomo de fósforo, com a altura de cada pico indicando a quantidade relativa. Moléculas maiores como as proteínas terão espectros muito mais complicados que o exemplo anterior, logo são necessárias mais informações para analisar os dados. A separação da informação em um espectro de forma útil é feita através da adição de dimensões à análise de dados. Uma abordagem análoga pode ser vista na Seção 5-3, na qual uma amostra que contém uma mistura de proteínas é submetida à eletroforese em uma dimensão para atingir uma separação parcial e então, para submeter o grupo resultante de proteínas parcialmente separadas a outra técnica de eletroforese a 90º da srcinal. A Figura 3 mostra a forma geral de como a separação bidimensional é atingida. Outra analogia que tem sido usada é a de que um espectro de RMN convencional de uma proteína é similar a um livro de vários volumes que foi comprimido em uma única linha de texto com todas as palavras misturadas. Se a única linha (uma dimensão) pudesse ser expandida em uma página (duas dimensões), esta seria uma etapa na direção correta, mas muitas ,
,
l
Bioquímica Gel de focagem isoelétrica
dores chegassem à estrutura. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos por difração de raiosX. Esta estrutura pode ser encontrada no banco de Dados de Proteínas na URL http:// www.rcsb.org/pdb/explore/explore. do?structureld=6 B. A estrutura está mostrada na Figura 4. Outro estudo de RMN sobre a estrutura da interleucina-1 b mostra algumas das características únicas da determinação da estrutura proteica por RMN comparada ao que pode ser
aisespectros (3D e 4D).permitiu A combinação todos os que osde pesquisa-
água hidratação ligadade a uma posição,está ela fortemente aparecerá
,
10
4pH
10 pH
pH Alta MM
D i r e ç ã o d a e le tr o f o
4
r e s e
Baixa MM Placa SDS-poliacrilamida
■
e consequentemente, identicam os núcleos que estão próximos entre si, que é a informação estrutural chave. O modelo de construção baseado nestes resultados pode fornecer estruturas de proteínas que se rivalizam com os resultados de difração de raios X. Durante a década de 1980, inúmeros experimentos foram feitos com RMN bidimensional (2D) de proteínas pequenas, aquelas que contêm menos que 100 resíduos. Esses estudos produziram estruturas similares àquelas produzidas por cristalografia de raios X. O desejo de estudar proteínas maiores levou à adição das terceira e quarta dimensões. Em um artigo clássico de 1991 citado na bibliografia, os pesquisadores do National Institutes of Health (NIH) descreveram os resultados de RMN multidimensional da interleucina - 1b, uma proteína de 153 resíduos que tem papel importante na inflamação. Eles obtiveram os espectros de RMN de hidrogênio ( 1H), 13C e 15 N. O processamento dos dados para combinar os espectros para cada espécie de núcleo para fornecer espectros 2D foi feito, seguido de combinações apropriadas para fornecer resultados tridimensionais e tetradimension-
Ponto de proteína
FIGURA Eletroforese bidimensional. Uma mistura de proteínas é separada pela focagem isoelétrica em uma direção. As proteínas focalizadas são então corridas usando-se SDS-PAGE perpendicular à direção da focagem isoelétrica. Assim as bandas que aparecem no gel foram separadas inicialmente pelos pontos isoelétricos e então por tamanho. ,
palavras ainda estariam misturadas. Uma terceira dimensão expandiria a informação em um livro e partes signicativas da mensagem se tornariam inteligíveis. Uma quarta dimensão resultaria no conjunto de vários volumes com a mensagem tornando-se facilmente lida. Os experimentos de RMN em duas, três e quatro dimensões têm sido feitos, todos tornando possível a análise de espectros mais complexos. O processo real da análise multidimensional de espectros de RMN é altamente matemático e depende do método de transformada de Fourier. A adição de dimensões aos espectros de RMN depende no nal das contas em ajustar os experimentos de tal forma que a transformada de Fourier possa ser feita inúmeras vezes. O processo é bastante complexo e não entraremos em detalhes. O sinal é analisado por transformada de Fourier e colocado em gráfico em um eixo (uma dimensão). Cada vez que uma transformada de Fourier diferente do sinal é feita, adiciona-se outro eixo ao gráco. Os resultados nais mostram a interação entre os núcleos no campo magnético ,
obtido por cristalografia de raios X. A diferença importante entre os dois métodos é que os estudos de RMN que abordamos usam amostras em solução, enquanto a cristalograa de raios X, por definição, usa amostras cristalinas. Nem todas as proteínas podem formar cristais, o que imediatamente exige um método baseado em solução para determinar a estrutura de tais proteínas. Além disso, mesmo amostras cristalinas contêm uma quantidade razoável do líquido (a “água mãe”) no qual a proteína foi dissolvida e do qual ela foi cristalizada. A água mãe normalmente contém sais, como sulfato de amônio, e tais cristais têm moléculas de água chamadas água de hidratação. Se uma
,
■
FIGURA Estrutura da interleucina - 1 b determinada por RMN em solução. (Do Banco de Dados de Proteínas.)
Tópicos Modernos
na estrutura cristalográfica final. Se ela está fracamente ligada sem uma posição xa, não aparecerá na estrutura. Entretanto, uma vez que os estudos de RMN em solução levam em consideração o fato de as moléculas em solução estarem em constante
movimento, uma molécula de água associada com a proteína pode ser detectada, mesmo se não estiver firmemente ligada em uma posição fixa (Figura 5). Os métodos de RMN desenvolvidos para proteínas deste tamanho forneceram uma estrutura mostrando a água fracamente ligada na cavidade hidrofóbica da interleucina-1b. Até aquela época, a presença desta água era desconhecida. Se a água fracamente ligada pode ser detectada, a questão que surge é
A ligação da proteína p53 com o DNA dispara a ação de enzimas reparadoras de DNA (Figura 6). O desdobramento parcial de monômeros da proteína permite que a ligação ocorra como deve. Este trabalho na região não estruturada da proteína não poderia ter sido feito com nenhum outro método. O poder da espectroscopia de RMN para lidar com questões de importância bioquímica é limitado apenas pela ingenuidade dos pesquisadores que planejam os experimentos. Os algorit-
se mobilidadedentro conformacional pode seradetectada da molécula de proteína em si. A respostaé que de fato é possível com o RMN em solução, mas não com a cristalografia de raios X. A mobilidade conformacional é uma parte integral do modo de ação de algumas proteínas. A proteína supressora de tumor p53 é um exemplo importante. Descobriu-se com os estudos iniciais de RMN que esta proteína é um tetrâmero, mas trabalhos mais recentes determinaram que as partes móveis interagem com o DNA.
mos computacionais para a obtenção de espectros e análise dos resultados estão constantemente sendo melhorados. Por exemplo, o artigo de Raman et al. citado na bibliografia descreve o uso de algoritmos computacionais sofisticados para deduzir as estruturas de proteínas a partir das espinhas dorsais, mas não das cadeias laterais. Este método foi usado com dados de proteínas de estruturas conhecidas. Os resultados destes métodos foram comparados com aqueles obtidos por métodos anteriores. Será interessante ver o que o futuro pode trazer em relação a aplicações bioquímicas à medida que a espectroscopia de RMN melhore ainda mais.
,
,
■
FIGURA Diagrama de fita da interleucina-1b. Vista posterior mostrando a espinha dorsal da proteína em verde e a água ligada em vermelho. (Adaptado de Ernst, J. A., et al. (1995). Demonstration of positionally disordered water within a protein hidrophobic cavity by NMR. Science 267, 1815.)
li
DNA
Bibliografia Comentada
p53 Região não estruturada da p53
■
FIGURA As regiões não estruturadas da p53 permitem que a proteína empacote-se em si mesma ao redor das hélices duplas de DNA. Parte da p53 já está ligada à hélice dupla. A parte não estruturada da p53 (mostrada em roxo) tem mobilidade conformacional suficiente para permitir que o resto da p53 (borrão verde) se mova para uma posição para se ligar a outras partes do DNA. A parte da p53 que ainda não está ligada é altamente móvel. (AXS Biomedical Animation Studio, Inc.)
Clore, G. e Gronenborg, A. Structures of Larger Proteins in Solution: Three- andFourDimensional Heteronuclear NMR Spectroscopy, Science 252, p. 1390-99 (1991). [Uma descrição de métodos de RMN para a determinação de estrutura de proteína.] ––., Omichinski, J., Sakaguchi, K., Zambrano, N., Skakmoto, H., Appella, E. e Gronenborn, A. High-Resolution Structure of the Oigomerization Domain of p53 by Multinuclear NMR, Science 265, p. 386-91 (1994). [Determinação da estrutura tetrâmera da proteína p53.] Dunker, A. e Kriwacki, R. The Olderly Chaos of Proteins. Sicentific American 304 (4), p. 68-73 (2011). [O uso de espectroscopia de RMN para observar a mobilidade conformacional de proteínas em solução.] Ernst, J., Clubb, R., Zhou, H., Gronenborn, A. e Clore, G. Demonstration of Positionally Disordered Water in a Protein Hydrophobic Cavity by NMR. Science 267, p. 1813-17 (1995). [Detecção de moléculas de água ligadas a uma proteína de maneira não rígida.] Raman, S., et al. NMR Structure Determination for Larger Proteins Using BackboneOnly Data. Science 327, p. 1014-18 (2010). [Uso de algoritimos computacionai s avançados para extrair as quantidades máximas de informações dos espectros de RMN.]
lii
Bioquímica
Proteína G – Receptores Acoplados Quando nossos corpos respondem a estímulos externos como a luz e o odor, ou quando experimentamos a resposta lutar ou fugir, a amplamente
muita atenção da mídia no outono de 2012 com o anúncio do Prêmio Nobel em Química para Brian Kobilka da Stantford University e Robert Lefko-
Quando uma molécula sinalizadora liga-se a um GPCR, como mostrado na Figura 2, inicia-se uma série de eventos que leva à transmissão e amplica-
distribuída classe de proteínas conhecidas como receptores acoplados de proteína G (GCPRs) tem papel central. A posição central nos processos da vida desses receptores recebeu
witz da Duke University por seu trabalho com estas proteínas. Quais são as características destas proteínas que as tornam tão importantes? Estas proteínas receptoras aparecem nas membranas celulares e estão acopladas às proteínas G no lado interno da membrana celular. (Veja Conexões Bioquímicas 8.2 e Seção 24-3.) Todo GCPRs rodeia a membrana e consiste em sete segmentos em hélice . Elas são chamadas de proteínas de sete segmentos de transmembrana (7-TMS). A rodopsina, proteína chave na visão e os receptores a- e b-adrenérgico, ambos os quais ligam-se ao hormônio epinefrina, são exemplos de GCPRs. Como um exem-
ção do sinal dentro da célula. O evento de ligação ativa a proteína G; por isso o nome receptor acoplado a ela. O resultado pode ser inibidor ou estimulador, dependendo do tipo especíco de receptor. Independente de a ligação ser inibidora ou estimuladora, ela provoca a dissociação da estrutura da subunidade trimérica da proteína G. As subunidades são designadas a, b e g. As subunidades b e g permanecem ligadas entre si. A subunidade a vai sinalizar a próxima etapa na célula, como inibição ou ativação de uma enzima específica. No processo, ocorre uma troca de GDP ligada à subunidade para GTP. A GTP ligada é hidrolisada lentamente pela subunidade .
plo, a Figura 1 mostra a estrutura de um receptor b-adrenérgico.
Esta atividade de GTPase dá srcem ao nome proteína G. Essas reações são descritas em detalhes no Capítulo
,
,
,
,
,
,
y m a l A ./v . b yc n e g a to o h p ss re p n a e p ro u e a p e
(a) Receptor b2-adrenérgico ■
(b)
NH3+
Brian Kobilka Externo
m o sc w e N /s e g a m I
Membrana
Interno
ty e G / FP A / D N A R T S K C A N N A H T A N O J
COO– ■
■
Robert Lefkowitz
FIGURA Estrutura de um receptor b-adrenérgico (a) Diagrama esquemático dos sete segmentos em hélice da transmembrana. (b) As principais características da estrutura de um receptor b-adrenérgico. (De GARRETT/GRISHAM, Biochemistry, 4ed. © 2009 Cengage Learning.)
Tópicos Modernos
24. A ampla faixa de efeitos depende do fato de que existem inúmeros receptores diferentes, todos com vários subtipos. Existem também inúmeros tipos de proteínas G, com a maioria das variações na subunidade . As várias combinações de receptores e proteínas G podem dar srcem a inúmeras respostas. (A descoberta das proteínas G deu o Prêmio Nobel de Medicina de 1994 a Alfred Gilman da University of Texas Southwestern Medical Center e Martin Rodbell do Na,
,
rina, os hormônios da resposta lutar ou fugir. Os receptores a- e b-adrenérgicos têm inúmeros subgrupos. Osmembros destes subgrupos interagem com diferentes tipos de proteínas G e têm efeitos diferentes. O receptora1 aumenta a concentração intracelular de íon cálcio e estimula a contração do músculo liso. O grupo receptora2 tem vários papéis, muitos deles ligados com o trato gastrointestinal. Os receptoresb são divididos em três tipos principais (Figura 3);
OH
HO
HN HO
CH3
Epinefrina OH
HO
,
tional Institutes of Health.) O número de GPCRs atinge centenas, com muitos papéis no organismo. Eles são agrupados em classes dependendo da similaridade da sequência de aminoácidos e da especificidade funcional. Deste enorme grupo, nos concent raremos em dois tipos principais de receptor para o hormônio
os resultados da sua atuação variam de contração do músculo cardíaco ao relaxamento do músculo liso. Uma boa maneira de entender os GPCRs, suas estruturas e suas muitas funções é examinar os métodos que foram usados para determinar suas propriedades. Aqui estão algumas das perguntas que podemos fazer . Quais genes codificam essas proteínas? Qual é a sequência de aminoácidos especicada por essas proteínas? Qual é a estrutura tridimensional dos GPCRs? Como a estrutura desses receptores determina suas funções? Clonagem, sequenciamento e expressão da codificação de gene para o receptor 2-adrenérgico plaqueta
NH2
HO
Norepinefrina
neurotransmissor epinefrina, os receptores a - e b -adrenérgicos. Estes ligam-se a catecolaminas, chamadas epinefrina e sua análoga norepinef-
Molécula sinalizadora GPCR inativo
Membrana celular
liii
Sítio ativo
foi uma importante etapa inicial no Proteína G
Epinefrina, Norepinefrina
Interior da célula
α1
GPCR ativo
α2
G
Fosfolipase C PIP2
IP3
β
G
G
Adenililciclase
DAG
ATP
cAMP
Adenililciclase
ATP
cAMP
Proteína G ativa Cascata de sinalização interna leva a célula a mudar o comportamento ■
FIGURA A ligação de uma molécula de sinal a um GCPR leva à ativação de uma proteína G, que, por sua vez, leva a um efeito dentro da célula por um mecanismo em cascata.
■
Ca2+
Ca2+
Contração do músculo liso
Inibição de liberação de transmissor
Contração do músculo liso
Contração do músculo cardíaco, relaxamento do músculo liso.
FIGURA Um resumo dos efeitos da ligação de catecolaminas aos receptores adrenérgicos. Veja a Seção 24-4 para uma descrição das reações da fosfolipase C e da adenilato ciclase.
liv
Bioquímica
entendimento das relações entre estes receptores. Usando a sequência de aminoácidos da proteína puricada como um guia, Kobilka, Lefkowitz e seus colegas sintetizaram sondas de oligonucleotídeos correspondentes. As sondas foram usadas para varrer uma biblioteca de DNA genômica, usando as técnicas descritas em detalhes no Capítulo 13. O gene recuperou códigos para uma proteína de 450 resíduos de aminoácidos de comprimento. A etapa seguinte foi usar a análise de hidrofobicidade para prever as regiões da sequência com probabilidade de representar os segmentos em hélice de transmembrana. Esta análise depende da tendência de aminoácidos com cadeias hidrofóbicas laterais estar em locais removidos do meio aquoso e a tendência correspondente de aminoácidos com cadeias laterais polares estar em contato com o meio aquoso. A tabela mostra o índice de hidrofobicidade para aminoácidos padrão. O número positivo indica uma cadeia lateral que tem probabilidade de estar na parte hidrofóbica de uma proteína, e o negativo indica uma cadeia lateral que será encontrada em contato com o meio aquoso.
(a)
4
h e d e c i d n Í
1
3
2
0
–2
50
*De Kyte, J. e Doolittle, R., 1982. A simple method for displaying the hidropathic character of a protein. Journal of Molecular Biology p. 157:105-32.
100
150
200
250
300
Número de resíduos
(b)
■
FIGURA Estrutura da rodopsina em uma ambiente de membrana. (a) Sete segmentos de transmembrana são previstos pelo gráfico de hidropaticidade. (b) A rodopsina em uma membrana. (De GARRETT/ GRISHAM, Biochemistry, 4 ed. © Cengage Learning.)
da proteína da visão rodopsina, que
A determinação da estrutura de um b
também é um (Figura 4). A análise deGPCR sequência do receptor a 2-adrenérgico mostrou um padrão similar das regiões de sete hélices, com uma boa quantidade de homoEscala de Hidropaticidade para Cadeias Laterais logia de sequência com a rodopsina de Aminoácidos em Proteínas* e outros GPCRs. A expressão do gene Cadeia Lateral Índice de Hidropaticidade clonado forneceu uma proteína que Isoleucina 4,5 mostrou o mesmo comportamento Valina 4,2 ligante que uma proteína isolada da Leucina 3,8 natureza. Este trabalho foi uma etapa Fenilamina 2,8 importante no entendimento da naCisteína 2,5 tureza dos CPCRs. Metionina 1,9 Alanina 1,8 Aproximadamente ao mesmo Glicina 0,4 tempo, um grupo de pesquisadores Treonina 0,7 na Bélgica estava clonando os genes Serina 0,8para um número de GPCRs, incluindo Triptofano 0,9 os receptores b-adrenérgicos. Foram Tirosina 1,3 1,6 3,2 -- 3,5 3,5 - 3,5 - 3,5 3,9- 4,5
7
4
2
Os resultados estavam disponíveis a partir de uma análise comparativa
Prolina Histidina Ácido glutâmico Glutamina Ácido aspártico Asparagina Lisina Arginina
6
5 e d a d i c i t a p o r d i
usadas similares àquelas usadas paratécnicas o receptor a-adrenérgico. Eles foram capazes de clonar os genes para os receptores b1-, b2- e a2-adrenérgico, além de descobrir quatro novos GPCRs. Todas estas proteínas têm signicativa homologia de sequência, outra importante peça de informação dessa classe de receptores.
receptor -adrenérgico de humano jetado por 2cristalograa raios Xprofoi uma importante pedra fundamental no entendimento dessas proteínas. Desde a sua descoberta em 1912, a cristalograa de raios X tem sido um dos métodos mais poderosos para determinar a estrutura molecular. Seus descobridores, o cientista alemão Max Von Laue e a equipe britânica de pai e lho William Bragg e William Lawrence Bragga usaram para detrminar a estrutura cristalina do cloreto de sódio e do cloreto de potássio, feito pelo qual receberam o Prêmio Nobel em Física. Naquele ano, William Lawrence Bragg tinha 25 anos e servia o exército britânico na Primeira Guerra Mundial. Ele foi a pessoa mais ,
nova a receber o Prêmio Nobel. Em 50 anos, foi possível usar este método para determinar a estrutura de proteínas comparativamente pequenas como a mioglobina, e agora a determinação das estruturas de proteínas grandes e complexas tornou-se uma rotina, embora longe de uma operação trivial. No caso do receptorb2-adrenérgico, infor,
,
Tópicos Modernos Receptor β2- adrenérgico
lv
Ligante
Colesterol
■
FIGURA Estrutura do receptor b-adrenérgico humano (amarelo) incrustado em uma membrana lipídica e ligado a um ligante difusível, com colesterol e ácido palmítico (verde claro) entre as duas moléculas receptoras. (Adaptado de Cherezov, et al. (2007). High-resolution crystal structure of na enginerred human b2-adrenergic G protein-coupled receptor. Science 318, p. 1258.)
mações detalhadas sobre a estrutura tridimensional fornecem compreensão mais clara dos detalhes de ligação. Uma imagem clara da ligação pode, por sua
lidades vem à mente. Uma usa o fato de que eles são proteínas alostéricas (veja Conexões Bioquímicas 7.1). O modo geral de ação de moduladores
com a superfície celular da proteína CD 4 Porém mais recentemente descobriu-se que a proteína CPCR chamada CCR5 também tem papel
vez, ser útil no projeto de medicamentos. A Figura 5 mostra um dímero de um receptor na membrana (mostrado em amarelo), com o colesterol (mostrado em verde-claro) ligado entre as duas moléculas de proteína. O ligante sintético carazolol é mostrado como um modelo molecular. A maior questão de todas é como usar as propriedades dos CPCRs na medicina. Um número de possibi-
alostéricos é mostrado na Figura 6. O ponto principal é que o efetivador alostérico bloqueia a ligação da molécula sinalizadora mudando a conformação do GPCR, e não pelo bloqueio do sítio de ligação. Um exemplo importante deste efeito é aquele conectado ao tratamento da AIDS. É bem conhecido que o vírus da AIDS liga-se às células T ajudantes do sistema imunológico interagindo
importante na ligação. A CCR5 tem um sítio ligante para a gp120, a notória proteína de revestimento viral que tem papel importante na infecção de HIV. Os moduladores alostéricos que fazem a variação conformacional na CCR5 que impede que ela se ligue à gp120 poderiam ser uma importante etapa no tratamento da AIDS. Os medicamentos baseados neste conceito estão sendo desenvol-
,
Medicamentos padrão
GPCR ativados
Receptor clássico – ativando o medicamento (agonista)
■
.
,
Moderadores alostéricos
Bloqueador de receptor clássico (antagonista)
Molécula sinalizadora incapaz de se ligar ao receptor
CPCR inativa
Moderador alostérico
Sítio ativo inacessível CPCR inativa
FIGURA Comparação do modo de ação de medicamentos padrão (antagonistas ligantes) com medicamentos que operam como moderadores alostéricos.
,
lvi
Bioquímica
vidos e têm atingido testes clínicos. (Pessoas que têm mutação genética que codifica uma forma não funcional da CCR5 tendem a ser altamente resistentes à infecção por HIV.) A conexão entre a pesquisa da AIDS e o trabalho em CPCRs é u m exemplo da maneira pela qual todos os aspectos da bioquímica estão relacionados entre si. As divisõ es em tópicos são simplesmente uma maneira de tornar conveniente o estudo deste vasto tópico. Os CPCRs têm tantos papéis que é possível imaginar muitos tipos diferentes de medicações que ligam ou afetam esta classe de receptor d e alguma maneira. Uma abordagem é desenvolver agentes que induzirão a célula a absorver o receptor. Alguma pesquisa está direcionada para encontrar agentes que disparem a absorção da proteína CCR5. O vírus da AIDS, qualquer que seja a maneira como sofra mutação, não pode se ligar a um receptor que não mais
esteja na superfície da célula. Outra linha de pesquisa trata a situação de um receptor constitutivo, que seja ativo o tempo todo, mesmo na ausência de uma molécula sinalizadora; um receptor que dispare a sinalização descontrolada de proteína G com a qual ela interage. Um antagonista, que inibe a formação da conformação ativa do receptor , não seria eficiente quando o receptor está trancado na conformação ativa. O objetivo neste caso é encontrar um agonista inverso, um composto que trancaria a proteína na conformação inativa. Esta linha de trabalho é bastante especulativa no momento, mas ela oferece ideias sobre quais avanços podem vir como resultado da pesquisa básica nestas importantes proteínas. Qualquer novidade que surja na pesquisa em GPCRs tem probabilidade de levar a inúmeros avanços na medicina. Atualmente estima-se que 50% das medicações em uso afetem as GPCRs.
Bibiliografia Comentada Cherezov , V., Rosebaum, D., Hanson, M., Rasmussen, S., Thian, F., Kobilka, T., Shoi, H., Kuhn, P., Weiss, W., Kobilka, B. e Stevens, R. High-Resolution Crystal Structure of an Engineered Human 2-Adrenergic G Protein – Coupled Receptor. Science 318, p. 1258-65 (2007). [A estrutura detalhada do receptor como determinada por cristalografia de raios X.] Kenakin, T. New Bull’s-Eyes for Drugs. Sicientific American 93 (4), p. 51-57 (2005). [Uma revisão de operação de CPCR.] Kobilka, B., Matsui, H., Kolbilka, T., Yang-Feng, T., Francke, U., Caron, M., Lefkowitz, R. e Regan, J. Cloning, Sequencing, and Expression of the Gene Coding form the Human Platelet 2-Adrenergic Receptor. Science 238, p. 650-87 (1987). [Relatório de pesquisa em um trabalho de base sobre a estrutura e função do receptor.] Libert, F., Parmentier, M., Lefort, A., Dinsart, C., Van Sande, J., Maenhaut, C., Simons, M., Dumont, J. e Vassart, G. Selective Cloning and Amplification of Four New Members of the G Protein – Coupled Receptor Family. Science 244, p. 569-72 (1989). [Estudo das similaridades entre GPCRs.] Service, R. Receptor Scientists to Receive Chemistry Nobel. Science 338, p. 313-14 (2012). [Artigo de notícias sobre os trabalhos vencedores de Prêmio Nobel em GPCRs.]
1
A Bioquímica e a Organização das Células 1-1 Temas Básicos ◗
Como a bioquímica descreve os processos vitais?
Organismos vivos, como os humanos, e até mesmo células individuais das quais eles são compostos, são consideravelmente complexos e diversos. Todavia, certas características são comuns a todas as coisas vivas, da bactéria mais simples ao ser humano. Todas elas usam os mesmos tipos de biomoléculas, e todas utilizam energia. Como resultado, os organismos podem ser estudados através de métodos químicos e físicos. A crença nas “forças vitais” (forças que se acreditava existirem apenas em organismos vivos) apoiada pelos biologistas do século XIX há muito tem dado lugar à consciência de uma unidade subjacente em todo o mundo natural. As disciplinas aparentemente não relacionadas à bioquímica podem fornecer respostas para importantes perguntas bioquímicas. Por exemplo, os testes de imagem por ressonância magnética (IRM), que têm um papel importante nas ciências da saúde srcinadas com os físicos, tornaram-se uma ferramenta SUMÁRIO DO CAPÍTULO
1-1 Temas Básicos • •
Como a bioquímica descreve os processos vitais? Como as coisas vivas se srcinaram?
1-2 Fundamentos Químicos da Bioquímica • •
Um químico pode fazer as moléculas da vida no laboratório? O que torna as biomoléculas especiais?
1-3 O Começo da Biologia: Origem da Vida • •
•
•
começo da Terra? Quem veio primeiro – os catalisadores ou as moléculas hereditárias?
Como o DNA procariótico é organizado sem um núcleo?
1-6 Células Eucarióticas • •
Quais são as organelas mais importantes? Quais são alguns dos outros componentes das células?
1-7 Como Classificamos os Eucariotos e os Procariotos •
Como e quando a Terra nasceu? Como eram as biomoléculas que provavelmente se formaram no
1-4 A Maior Distinção Biológica – Procariotos e Eucariotos •
1-5 Células Procarióticas
Como os cientistas classificam os organismos vivos atualmente?
1.1 CONEXÕES BIOQUÍMICAS BIOTECNOLOGIA | Extremólos: • •
A Estrela da Indústria Os eucariotos desenvolveram-se dos procariotos? A simbiose teve um papel importante no desenvolvimento dos eucariotos?
Qual a diferença entre um procarioto e um eucarioto? [Continua]
1
2
Bioquímica [Continuação]
1-8 Energia Bioquímica • •
Qual é a fonte de energia nos processos vitais? Como medimos as variações de energia na bioquímica?
1-9 Energia e Variação •
Quais tipos de variações de energia ocorrem nas células vivas?
1-10 Espontaneidade e Reações Bioquímicas •
Como podemos prever quais reações ocorreram nas células vivas?
1-11 Vida e Termodinâmica •
A vida é termodinamicamente possível?
1.2 CONEXÕES BIOQUÍMICAS TERMODINÂMICA | Prevendo as reações
importante parada os bioquímica químicos, e abrange atualmente têm disciplinas, um grande epapel na pesquisa bioquímica. O campo muitas sua natureza multidisciplinar permite o uso de resultados de diversas ciências para responder a questões sobre a natureza molecular de processos vitais . Aplicações importantes deste tipo de conhecimento são feitas em campos relacionados à medicina – a compreensão sobre saúde e doenças no nível molecular leva ao tratamento mais efetivo de enfermidades de diversos tipos. As atividades dentro de uma célula são semelhantes ao sistema de transporte de uma cidade. Os carros, ônibus e táxis correspondem às moléculas envolvidas em reações (ou séries de reações) dentro de uma célula. De forma semelhante, as rotas trafegadas por veículos podem ser comparadas às reações que ocorrem na vida da célula. Observe particularmente que diversos veículos trafegam em mais de uma rota – por exemplo, carros e táxis podem ir praticamente a qualquer lugar –, enquanto outros modos mais especializados de transporte, como metrôs e bondes, estão confinados a uma só rota. Da mesma forma, algumas moléculas desempenham diversas funções, enquanto outras participam apenas de séries específicas de reações. Além disso, as rotas operam simultaneamente, veremos que isto é verdade nas diversas reações dentro de uma célula. Continuando a comparação, o sistema de transporte de uma grande cidade tem mais tipos de transporte do que o de uma cidade pequena. Enquanto uma cidade pequena pode ter apenas e táxis, uma grande cidade pode esses e outros como bondes ou carros, metrôs.ônibus Comparativamente, algumas reações sãoter encontradas em tipos, todas as células, e outras, apenas em tipos específicos de células. Além disso, mais características estruturais são encontradas nas células maiores e mais complexas de organismos maiores do que em células mais simples de organismos como bactérias. Uma consequência inevitável desta complexidade é a grande quantidade de terminologia necessária para descrevê-la: aprender um vocabulário consideravelmente novo é parte essencial do estudo da bioquímica. Você também verá diversas referências cruzadas neste livro, que são um reflexo das várias conexões entre os processos que ocorrem na célula. ◗
Como as coisas vivas se srcinaram?
A semelhança fundamental entre células de todos os tipos faz a especulação sobre a origem da vida ser uma pergunta interessante. Como os componentes dos nossos corpos se juntaram e fazem as coisas que fazem? Quais são as moléculas da vida? Mesmo a estrutura de biomoléculas comparativamente pequenas consiste em várias partes. Grandes biomoléculas, como proteínas e ácidos nucleicos, têm estruturas complexas, e células vivas são extremamente mais complexas. Ainda assim, tanto as moléculas como as células devem ter surgido, provavelmente, de moléculas muito simples, como água, metano, dióxido de carbono,
amônia, nitrogênio e hidrogênio (Figura 1.1). Por sua vez, essas moléculas simples devem ter surgido de átomos. A forma como o próprio universo, e os átomos dos quais ele é composto, foi criado é um tópico de grande interesse para astrofísicos e outros cientistas. Moléculas simples foram formadas pela combinação de átomos, e as reações de moléculas simples, por sua vez, levaram a moléculas mais complexas. As moléculas que exercem uma função em células vivas hoje são as mesmas encontradas na química orgânica – elas simplesmente operam em um contexto diferente.
A Bioquímica e a Organização das Células Sistema corporal do organismo Órgão Átomos
Oxigênio e hidrogênio
Osso
Tecido
Moléculas O
H
H
Água
Tecido ósseo
Célula
Macromoléculas Núcleo
Proteína
Complexo de Golgi
Núcleo
Membrana plasmática
Célula óssea
Organelas
Mitocôndria
F
1.1 Níveis de organização estrutural no corpo humano.
Observe a hierarquia do sim-
ples ao complexo.
1-2 Fundamentos Químicos da Bioquímica
química orgânica é o estudo de
compostos de carbono, especialmente
Química orgânica é o estudo de compostos de carbono e hidrogênio e seus de carbono e hidrogênio e seus derivados derivados. Como o aparelho celular de organismos vivos é feito de compostos de carbono, as biomoléculas fazem parte da matéria de química orgânica. Além disso, há diversos compostos de carbono que não são encontrados em nenhum organismo, e vários tópicos importantes para a química orgânica têm pouca conexão com seres vivos. Vamos nos concentrar nos aspectos da química orgânica necessários para compreender o que ocorre nas células vivas.
3
4
Bioquímica ◗
Um químico pode fazer as moléculas da vida no laboratório?
Até o início do século XIX, havia uma crença firme nas “forças vitais”, que presumidamente eram exclusivas de seres vivos. Esta crença incluía a ideia de que compostos encontrados em organismos vivos não podiam ser produzidos em laboratório. O químico alemão Friedrich Wöhler realizou a experiência essencial que desmentiu esta crença em 1828. Wöhler sintetizou a ureia, um conhecido produto de dejeto do metabolismo animal, a partir do cianato de amônio, um composto obtido de fontes minerais (isto é, não vivas). NH4OCN
→
H2NCONH2
Cianato de amônio
grupos funcionais grupos de átomos que dão srcem às reações características dos compostos orgânicos
Ureia
A partir de então, mostrou-se que qualquer composto que ocorre em um organismo vivo pode ser sintetizado em laboratório, embora, em diversos casos, a síntese represente um desafio considerável até mesmo para o químico orgânico mais experiente. As reações das biomoléculas podem ser descritas pelos métodos da química orgânica, que exige a classificação de compostos de acordo com seus grupos funcionais. As reações das moléculas baseiam-se nas reações de seus respectivos grupos funcionais. ◗
O que torna as biomoléculas especiais?
A Tabela 1.1 lista alguns desses grupos biologicamente importantes. Observe que a maioria deles contém oxigênio e nitrogênio, que estão entre os elementos mais eletronegativos. Como resultado, diversos desses grupos funcionais são polares, e esta natureza polar tem papel essencial em sua reatividade. Alguns grupos de importância vital para químicos orgânicos não aparecem na tabela porque as moléculas que contêm esses grupos, como haleto de alquila e cloretos de acila, não possuem nenhuma aplicabilidade em particular na bioquímica. Por sua vez, os derivados do ácido fosfórico que contêm carbono são pouco mencionados nos cursos iniciais sobre química orgânica, mas os ésteres e os anidridos deste ácido (Figura 1.2) são de importância vital para a bioquímica. O trifosfato de adenosina (ATP), molécula que é a moeda de energia da célula, contém tanto ligações éster como anidrido envolvendo o ácido fosfórico. Classes importantes de biomoléculas possuem grupos funcionais característicos que determinam suas reações. Discutiremos as reações dos grupos funcionais quando considerarmos os compostos nos quais elas ocorrem.
1-3 O Começo da Biologia: Origem da Vida A Terra e Sua Idade
Até hoje, sabemos de apenas um planeta que sem dúvida suporta a vida: o nosso. A Terra e suas águas são consideradas universalmente como a fonte e o pilar da vida como a conhecemos. Uma primeira e natural pergunta é como a Terra, assim como o Universo do qual ela faz parte, começaram a existir. ◗
Como e quando a Terra nasceu?
Atualmente, a teoria cosmológica mais amplamente aceita para a srcem do Universo é a do big bang , uma explosão cataclísmica. De acordo com a cosmologia do big bang, toda a matéria no Universo estava srcinalmente confinada em um volume relativamente pequeno de espaço. Como resultado de uma tremenda explosão, essa “bola de fogo primordial” começou a se expandir com uma grande força. Imediatamente após o big bang, o Universo estava extremamente quente, na ordem de 15 bilhões (15 3 10 9) K. (Observe que as
A Bioquímica e a Organização das Células
T
1.1
Grupos Funcionais de Importância Bioquímica
Classe de Composto
Grupo Funcional Caracaterístico
EstruturaGeral
Alcenos
RCH CH 2 RCH CHR R 2C CHR R 2C CR2
C
Alcoóis
ROH
OH
Éteres
ROR
Aminas
RNH2 R2NH R 3N
Tióis
RSH
Aldeídos
O R
C
Cetonas
R
C
Ácidos carboxílicos
R
C
Ésteres
R
C
Ligação dupla
CH2
Grupo hidroxila
CH3CH2OH
O
Grupo éter
CH3OCH3
N
Grupo amino
CH3NH2
SH
Grupo sulfidrila
CH3SH
C
H
C
R
C
OH
C
OR
C
NR
C
CH3CCH3 O
Grupo carboxila
OH
CH3COH O
Grupo éster CH3COCH3
OR
O 2
O
Grupo amida
N
CH3CN(CH3)2
O
Amidas
R
C NHR O
R
C
NH
2
O
O R
O
P
OH
O
OH
R
O
P OH
P
O OH
Grupo éster fosfórico
CH3
O
OH
O Anidridos de ácidos fosfóricos
O
Grupo carbonila
O
O
Ésteres de ácido fosfórico
CH3CH
O
O
CH2
O
Grupo carbonila
O
O
C
Exemplos
O
O
R
Nome do Grupo Funcional
O O
P OH
O OH
P OH
OH
OH O
O
P
P
O
Grupo anidrido fosfórico
HO
OH
temperaturas Kelvin são escritas sem o símbolo de grau.) Desde esse fenômeno, a temperatura média do Universo tem diminuído como resultado da sua expansão, e as temperaturas a formação muito de estrelas e planetas. Em seus estágios iniciais, o menores Universo permitiram tinha uma composição simples. Havia hidrogênio, hélio e um pouco de lítio (os três menores e mais simples elementos da tabela periódica), que foram formados na explosão srcinal do big bang. Acredita-se que o restante dos elementos químicos tenha sido formado de três maneiras: (1) por meio de reações termonucleares que ocorrem normalmente nas estrelas, (2) em explosões de estrelas, e (3) pela ação de raios cósmicos fora das estrelas a partir da formação da galáxia. O processo pelo qual os elementos são formados nas estrelas é um tópico de interesse tanto para químicos como para astrofísicos. Para nossos propósitos, ob-
P OH
O O
P OH
OH
5
6
Bioquímica O 1
Reação do ácido fosfórico com um grupo hidroxila para formar um éster, que contém uma ligação P-O-R. O ácido fosfórico é mostrado em sua forma não ionizada nesta figura. Os modelos de volume atômico do ácido fosfórico e seu metil éster são mostrados. As esferas vermelhas representam o oxigênio; as brancas, o hidrogênio; as verdes, o carbono, e as laranjas, o fósforo.
HO
P
O
+
OH
HO
OH Álcool
O
R
Um éster de ácido fosfórico
R
O P
O OH
+
HO
P
OH
Reação de duas moléculas de ácido 2 fosfórico para formar um anidrido, que contém uma ligação P-O-P. Um modelo de volume atômico do anidrido do ácido fosfórico é mostrado.
O
O OH
HO
OH
P OH
H 2O
O
P
OH
OH
Anidrido de ácido fosfórico
O
O P
O
OH 3 Estrutura do ATP (trifosfato de adenosina), mostrando duas ligações anidrido e uma ligação éster.
P OH
H 2O
Ácido fosfórico
HO
HO
HO
R
P OH
Anidrido
O O
P
NH2
Éster N O
OH CH2 C H
C C
N
HC N
O
C
CH N
C
H C
H C
OH
H OH
ATP
F
1.2 O ATP e as reações para sua formação.
serve que os isótopos mais abundantes de elementos biologicamente importantes, como carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre, têm núcleos particularmente estáveis. Esses elementos foram produzidos por reações nucleares em estrelas de primeira geração, as srcinais produzidas logo após o início do Universo (Tabela 1.2). Diversas estrelas de primeira geração foram destruídas por explosões chamadas supernovas, e seu material estelar foi reciclado para produzir estrelas de segunda geração, como o nosso Sol, bem como nosso sistema solar. A datação radioativa, que utiliza o decaimento de núcleos instáveis, indica que a idade da Terra (e do restante do sistema solar) é de 4 a 5 bilhões (4 3 109 a 5 3 109) de anos. A atmosfera nos primórdios da Terra era muito diferente desta em que vivemos, e provavelmente atravessou diversos estágios antes de atingir sua composição atual. A diferença mais importante é que, de acordo com a maioria das teorias sobre a srcem da Terra, havia muito pouco ou nenhum oxigênio livre (O 2) nos estágios iniciais (Figura 1.3). A Terra primitiva eradeconstantemente luzbloqueá-la. ultravioletaSob do essas Sol, porque não havia a camada ozônio (O3) nairradiada atmosferapor para condições, ocorriam as reações químicas que produziram as biomoléculas simples. Os gases normalmente previstos como presentes na atmosfera nos primórdios da Terra incluem NH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2 e H 2O (tanto na forma líquida como na gasosa). No entanto, não há um consenso sobre as quantias relativas desses componentes, a partir dos quais as biomoléculas se srcinaram. Muitas das teorias iniciais sobre a srcem da vida consideravam o CH 4 como a fonte de carbono,
A Bioquímica e a Organização das Células
T
1.2
Abundância dos Elementos Importantes em Relação ao Carbono*
Elemento
Abundâncianos Organismos
Hidrogênio Carbono Nitrogênio Oxigênio Sódio
Abundância no Universo
80–250 1.000 60–300 500–800 10–20 2–8 8–50 4–20 6–40 25–50 0,25–0,8 0,25–0,8 0,1–0,4
Magnésio Fósforo
Enxofre Potássio Cálcio Manganês
Ferro Zinco
10.000.000 1.000 1.600 5.000 12 200 3 80 0,6 10 1,6 100 0,12
* Abundância é expressa como o número de átomos relativo a mil átomos de carbono.
H
N
N2 N
H NH NH3 H
H O H2O H
S H H2S
N
O C O CO2 C H
Benzeno
Adenina
N2 N N
Açúcares
(Ácido cianídrico) Metano
Ácido graxo
N2
N N
Formaldeído
H
F
1.3 As condições nos primórdios da Terra eram inóspitas para a maioria das formas de vida de hoje. Havia muito pouco ou nada de oxigênio livre (O 2). Os vulcões entravam em erupção liberando gases, e tempestades violentas produziam chuvas torrenciai s que cobriam a Terra. A seta verde indica a formação de biomoléculas a partir de precursores simples.
porém, estudos mais recentes têm demonstrado que quantias significativas de CO 2 já existiam na atmosfera há pelo menos 3,8 bilhões (3,8 3 109) de anos. Esta conclusão baseia-se em evidências geológicas: as rochas mais antigas conhecidas têm 3,8 bilhões de anos e são carbonatos que se formam a partir do CO 2. Qualquer NH 3 srcinalmente presente deve ter se dissolvido nos oceanos, deixando N 2 na atmosfera como a fonte de nitrogênio exigida para a formação de proteínas e ácidos nucleicos.
S H H 2S
7
8
Bioquímica
Biomoléculas ◗
monômeros pequenas moléculas que podem se ligar a várias outras para formar um polímero
polímeros macromoléculas formadas pela ligação de pequenas unidades
proteínas macromoléculas formadas pela polimerização de aminoácidos ácidos nucleicos macromoléculas formadas pela polimerização de nucleotídeos
Como eram as biomoléculas que provavelmente se formaram no começo d a Terra?
Foram realizados experimentos nos quais os compostos simples da atmosfera primordial puderam reagir sob os diversos conjuntos de condições que pudessem existir na Terra primitiva. Seus resultados indicam que esses compostos simples reagem abioticamente, ou, como a palavra indica ( a, “não”, e bios, “vida”), na ausência de vida, para srcinar compostos biologicamente importantes, como os componentes de proteínas e ácidos nucleicos. De interesse histórico é a bem conhecida experiência de Miller-Urey. Em cada teste, uma descarga elétrica simulando raios atravessa um sistema fechado que contém H2, CH4 e NH3, além de H2O. Moléculas orgânicas simples, como o formaldeído (HCHO) e o ácido cianídrico (HCN), são produtos típicos de tais reações, assim como os aminoácidos, os blocos construtores das proteínas. De acordo com uma das teorias, reações como essas ocorriam nos oceanos na Terra primordial; outros pesquisadores defendem que elas aconteciam nas superfícies de partículas de argila que existiam nos primórdios da Terra. É verdade que substâncias minerais semelhantes à argila podem servir como catalisadores em diversos tipos de reação. Ambas as teorias têm seus defensores; contudo, mais pesquisas serão necessárias para esclarecer as muitas questões que ainda permanecem sem solução. Mais um ponto, teorias recentes da srcem da vida focam no RNA, não em proteínas, como as primeiras moléculas genéticas. Acredita-se que as proteínas se desenvolveram mais tarde na evolução das primeiras células. Este ponto, porém, não diminui a importância desse primeiro experimento na síntese abiótica de biomoléculas. Experimentos recentes mostraram que é possível sintetizar nucleotídeos a partir de moléculas simples através de um caminho que inclui um precursor, que não é um açúcar nem uma base nucleica, mas um fragmento consistindo em açúcar e uma parte de uma base. O fragmento 2-amino-oxazol é altamente volátil e pode vaporizar e condensar de tal forma a dar srcem a pacotes de material puro em quantidades razoavelmente grandes. Por sua vez, os fosfatos liberados por ação vulcânica podem reagir com o 2-amino-oxazol para produzir nucleotídeos (Figura 1.4). Os produtos incluem nucleotídeos que não são partes do RNA atual, mas a intensa luz ultravioleta, que estava presente nos primórdios da Terra, destruiu aqueles nucleotídeos, deixando aqueles encontrados no RNA atual. As células vivas na forma como existem hoje são agrupamentos que incluem moléculas muito grandes, como proteínas, ácidos nucleicos e polissacarídeos. Essas moléculas são muitas ordens de grandeza maiores que aquelas menores das quais são formadas. Centenas ou milhares dessas moléculas menores, ou monômeros , podem ser ligadas para produzir macromoléculas, que também são chamadas polímeros . A versatilidade do carbono é importante aqui. O carbono é tetravalente e pode formar ligações com o próprio carbono e com diversos outros elementos, srcinando diferentes tipos de monômeros, como aminoácidos, nucleotídeos e monossacarídeos (monômeros de açúcar). Proteínas e ácidos nucleicos têm um papel chave nos processos da vida. Nas células atuais, os aminoácidos (monômeros) se combinam por polimerização para formar proteínas; os nucleotídeos (também monômeros) se combinam para formar ácidos nucleicos; e a polimerização de monômeros de açúcar produz os polissacarídeos. Os experimentos de polimerização com aminoácidos realizados sob as condições da Terra primordial produziram polímeros similares a proteínas. Experiências semelhantes foram feitas sobre a polimerização abiótica de nucleotídeos e açúcares, que tende a acontecer menos facilmente que a polimerização de aminoácidos. Grande parte desta discussão é especulativa, mas é uma maneira útil de começar a pensar sobre as biomoléculas. Os diversos tipos de aminoácidos e nucleotídeos podem facilmente ser diferenciados entre si. Quando os aminoácidos formam polímeros, com a perda
A Bioquímica e a Organização das Células
UMA NOVA ROTA
NUCLEOTÍDEOS FRACASSADOS Os químicos têm sido incapazes de encontrar uma rota pela qual as bases nucleicas, fosfatos e ribose (o açúcar que compõe o RNA) se combinariam naturalmente para gerar quantidades de nucleotídeos de RNA.
Na presença de fosfato, os materiais de partida para as bases nucleicas e a ribose inicialmente formam o 2-amino-oxazol, uma molécula que contém parte de uma base nucleica C ou U. Reações adicionais produzem um bloco completo da base ribose e, então, um nucleotídeo completo. As reações srcinais também produzem as combinações “erradas” das moléculas srcinais, mas, após a exposição a raios ultravioleta, apenas as versões “corretas” – os nucleotídeos – sobrevivem.
Produtos químicos presentes antes das primeiras células vivas
Produtos químicos presentes antes das primeiras células vivas
Açúcar
Base nucleica C 2-amino-oxazol
Fosfato
Arabino-oxazolina
Açúcar
C
Oxigênio Carbono Nitrogênio
Fosfato
Fósforo
NUCLEOTÍDEO DE RNA
F
1.4 Síntese abiótica de nucleotídeos. O composto volátil 2-amino-oxazol é um intermediário chave que eventualmente dá srcem aos nucleotídeos. (Copyright © Andrew Swift)
de água que acompanha esse processo espontâneo, a sequência de aminoácidos determina a propriedade da proteína formada. De modo semelhante, o código genético está baseado na sequência de nucleotídeos monoméricos que se polimerizam para formar ácidos nucleicos, as moléculas da hereditariedade (Figura 1.5). No entanto, em polissacarídeos, a ordem dos monômeros raramente tem um efeito importante nas propriedades do polímero, nem carrega nenhuma informação genética. (Outros aspectos da ligação entre monômeros são importantes para os polissacarídeos, como veremos ao discutir os carboidratos no Capítulo 16.) Observe que todos os blocos construtores têm uma “cabeça” e uma “cauda”, dando uma noção de direção até mesmo no nível do monômero (Figura 1.6). O efeito da sequência de monômeros sobre as propriedades dos polímeros pode ser ilustrado por um outro exemplo. A classe de proteínas conhecida como enzimas exibe atividades catalíticas, ou seja, elas aumentam a velocidade de reações químicas quando comparadas com reações não catalisadas. No contexto da srcem da vida, as moléculas
Fosfato
9
10
Bioquímica
F
1.5 Macromoléculas informacionais. Macromoléculas biológicas são
Uma fita de DNA
informacionais. A sequência de unidades monoméricas em um polímero tem o potencial de conter informação se a ordem de unidades não for muito repetitiva. Os ácidos nucleicos e as proteínas são macromoléculas informacionais; os polissacarídeos não.
T T CC A G
5'
A
A T A
A G G G T C C
T
A C G G A G 3'
Um segmento de polipeptídeo
Ph e
Se r
Asn
Ly s
Gly
Pro
Thr
Glu
Uma cadeia de polissacarídeo Gl c
Aminoácido H
Aminoácido
R1
H
+
C
.. .
H+3N
A
R2
H
R1 C
Gl c
Gl c
Gl c
.. .
.. ... HO . .. .. .. . HO 4
C H
O
R2
4
Açúcar HO
6
CH2OH
5
6
5
+
O 2
HO
CH2OH
CH2OH
O HO
3
HO
4
Polissacarídeo
3
OH
O HO
HO
2
. OH . OH 1
1
HO
H2O
O
1
1
CH2OH O
4
HO
Direção
HO
OH
Os polissacarídeos são formados pela ligação do primeiro carbono de um açúcar com o quarto carbono do açúcar seguinte.
Nucleotídeo
Ácido Nucleico
Nucleotídeo
NH2 N
O P
... ... .. .. .
N
OCH2
PO4
N
5'
+
HO
P
OCH2
1' 2'
1'
.. . 3' .
OH
Direção
1.6 Direcionalidade nas macromoléculas.
OCH2 O
NH2
H2O
2'
3'
OH OH
Em ácidos nucleicos, a posição 3’-OH do anel de ribose de um nucleotídeo forma uma ligação com a posição 5’-OH do anel de ribose de um nucleotídeo vizinho. Todas essas reações de polimerização são acompanhadas pela eliminação de água.
construtores têm uma “noção” de direção.
P O–
4' 3'
OH OH
HO
O
N
5'
N
O
O–
4' 3'
O
O
O
O–
5'
N
N
O 5'
HO
NH2
NH2
N
F
Gl c
Os aminoácidos constroem proteínas ao conectar o grupo carboxila de um aminoácido ao grupo amina do aminoácido seguinte.
HO
C
Gl c
COO–
N
H2O
C
Açúcar
B
Glc
H
C
H+3N
COO–
Direção
Gl c
Polipeptídeo
C H+3N
COO–
N
Gl c
Macromoléculas biológicas e seus blocos
O
N
2'
O
OH
P
OCH2
O– 3'
N O
OH OH
N N
MARY K. CAMPBELL E SHAWN O. FARRELL
BIOQUÍMICA Tradução da 8a edição norte-americana
Antes dividido em 3 volumes, agora reunidos em volume único,Bioquímica – Tradução da 8a edição norte-americana , tem por objetivo fazer que a bioquímica seja o mais clara e aplicada possível, para que estudantes de diversas áreas possam se familiarizar com os principais aspectos da disciplina. A obra traz, em cada capítulo, seções práticas com o objetivo de proporcionar aos estudantes experiência na resolução de problemas. Além disso, os resumos ao final dos capítulos ajudam a fixar o conteúdo. No final do livro, há respostas dos exercícios propostos. Os quadros “Conexões Bioquímicas” destacam tópicos com temas atuais e que fazem a conexão entre a bioquímica e o mundo real. Entre as novidades desta edição: Tópicos Modernos de Bioquímica (artigos atualizados em novos avanços e tópicos na área debioquímica, como células-tronco, envelhecimento etc.), nov a e inovadora apresentação de Conexões Bioquímicas (cobrem uma variedade de conceitos importantes e novas pesquisas), novo Glossário nas margens ecapítulos atualizados com os desenvolvimentos e as descobertas científicas atuais na área de bioquímica. APLICAÇÕES: Para estudantes de Biologia, Química, Física, Geologia, Nutrição, Fisiologia dos Esportes e Agricultura, especialmente nas áreas de medicina e de biotecnologia. Para alunos de Engenharia, sobretudo nas áreas de engenharia Traduço da 8 ediço norte-americana biomédica ou alguma forma de biotecnologia.
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